[사이언스타임즈] 종이로 만든 현미경과 원심분리기

[Dr. Park]

미 스탠포드대에서 물리학을 가르치는 ‘마누 프라카시(Manu Prakash)’ 박사는 교수보다 적정기술 분야의 발명가로 더 유명하다. 그가 개발한 현미경과 원심분리기는 저소득 국가들에 만연되어 있는 전염병을 퇴치하는 데 있어 막대한 기여를 하고 있다.

일반적으로 의료 분야에서 활용하는 현미경과 원심분리기는 고가의 장비로 알려져 있다. 하지만 프라카시 박사가 개발한 현미경과 원심분리기는 기존 장비들에 비해 비교할 수 없을 정도로 저렴하면서도 간편한 구조로 이루어져 있다. 바로 ‘종이’로 만들었기 때문이다.

입체 동화책을 연상시키는 폴드스코프의 구조 ⓒ kqed.org

2000배의 배율로 기존 현미경 수준에 근접

프라카시 박사와 연구진이 처음 선을 보인 종이로 만든 장비는 ‘폴드스코프(foldscope)’라는 이름의 현미경이다. 현미경이라고 하면 흔히 금속 재질과 렌즈를 떠올리게 되지만, 폴드스코프는 여러 겹의 종이를 붙여 만들었다.

폴드스코프는 어린 시절 즐겨보던 입체 동화책을 쏙 빼닮았다. 평상시에는 납작한 형태를 유지하다가 관찰이 필요할 때 접혔던 부분을 살짝 세운 뒤 스마트폰 렌즈를 갖다 대면 화면에 현미경에서 보는 이미지가 그대로 나타나는 것.

종이로 된 틀에는 렌즈와 배터리, 그리고 LED 전등이 정렬된 형태로 장착되어 있다. 또한 현미경의 슬라이드는 그 사이로 들어가도록 설계되어 있다.

종이로 현미경을 개발한 이유에 대해 프라카시 박사는 “현미경은 전염병으로 수많은 사람들이 사망하는 저소득 국가에서는 꼭 필요한 장비이지만, 괜찮은 수준의 현미경을 장만하려면 그 가격이 만만치 않다”라고 설명하며 “더군다나 끼니를 걱정해야 할 정도로 어려운 나라에서는 한낱 사치품으로 보일 수도 있다”라고 지적했다.

종이로 만든 현미경이라고 해서 장난감과 같은 현미경일 것이라고 생각하면 오산이다. 배율이 2000배나 되기 때문에 기존 현미경들의 성능에 비해 결코 뒤떨어지지 않는다.

폴드스코프로 관찰한 각종 세균들의 이미지. 기존 현미경에 비해 성능이 뒤떨어지지 않는다 ⓒ Stanford.edu

프라카시 박사는 “이 정도 배율의 현미경이면 관찰하려는 시료에 말라리아균이 들어 있는지 정도는 충분히 확인할 수 있다”라고 말했다.

배율 성능은 기존 현미경과 비슷한 수준인 반면에, 가격은 종이가 주요 재료인 만큼 대단히 저렴하다. 종이로 된 틀은 비용이 거의 발생하지 않기 때문에 렌즈와 배터리, LED 등의 가격이 전부다. 렌즈와 배터리는 각각 0.56달러와 0.06달러이고, LED 전등도 0.21달러여서 모두 합해봐야 0.97달러에 불과하다.

작동 방법도 매우 간단하다. 눈썹이 렌즈에 닿을 정도로 눈을 렌즈에 가깝게 대고 관찰하고 싶은 물체를 보거나 스마트폰 렌즈를 갖다 대면 된다. 초점이 맞지 않으면 두 손으로 폴드스코프를 잡고, 양쪽 검지와 중지로 슬라이드를 상하좌우로 밀면서 맞추면 된다. 그러면 이내 눈앞에 미생물이 꿈틀대고, 세포가 숨을 쉬는 초미세의 세계가 펼쳐지게 된다.

폴드스코프의 또 다른 장점으로는 휴대성과 내구성을 꼽을 수 있다. 휴대성의 경우 무게가 연필 한 자루 정도여서 그냥 주머니에 넣고 다녀도 사용자는 전혀 부담을 느끼지 않는다. 또한 발로 밟거나 높은 곳에서 떨어 뜨려도 여전히 현미경 역할을 할 수 있을 정도로 내구성도 단단한 편이다.

한편 스탠포드대학은 폴드스코프를 해마다 10억 개 이상 생산하겠다는 계획을 수립한 상황이다. 이를 위해 ‘현미경 1만 개 가입(Ten Thousand Microscopes signup) 프로젝트’를 추진하고 있다. 현미경 1만 개 가입 프로젝트란 폴드스코프가 지금보다 저소득 국가들에게 더 도움이 될 수 있도록 함께 성능을 개선해 나가는 개방형 연구 프로젝트를 의미한다.

상업용 원심분리기보다 더 빠른 속도 기록

프라카시 박사가 이끄는 연구진이 두 번째로 선보인 종이접기 제품은 ‘의료용 원심분리기’다. 이 제품은 앞서 개발했던 폴드스코프 현미경보다 더 뛰어난 적정기술 제품으로 전문가들로부터 평가받고 있다.

의료용 원심분리기는 환자에게서 채취한 혈액을 튜브에 넣고 빠른 속도로 돌리면 원심력에 의해 혈액 속 성분들을 분리해주는 기기다. 기존 원심분리기는 수백만 원을 호가할 정도로 비싸고, 사용할 때마다 전원도 공급해 주어야 한다. 따라서 저소득 국가에서 사용하기에는 어려운 점이 많은 장비다.

프라카시 박사는 어릴 적에 갖고 놀던 장난감에서 종이 원심분리기의 아이디어를 얻었다. 구멍이 여러 개 뚫려있는 단추에 실을 관통한 다음, 양쪽에서 실을 잡고 늦췄다 당겼다 하면 윙윙 소리를 내며 단추가 빠르게 돌아가는 실팽이가 바로 아이디어의 모델이  된 것.

페이퍼퓨즈 아이디어는 어린 시절 놀이였던 실팽이에서 따왔다 ⓒ mnn.com

그는 실팽이에 대해 “단순한 놀이 같지만, 그 동작에는 여러 가지 물리학적 법칙이 녹아 있다”라고 언급하며 “한 번 회전한 물체가 계속 회전을 유지하려는 ‘회전관성’과 원운동하는 물체가 중심에서 바깥으로 힘을 받는 ‘원심력’ 등이 바로 그것”이라고 밝혔다.

페이퍼퓨즈(paperfuge)는 이 같은 실팽이의 동작을 흉내 내서 만든 종이 원심분리기다. 작은 원반처럼 생긴 페이퍼퓨즈에는 혈액이 담기는 작은 튜브가 붙어 있다. 원반처럼 생긴 종이에는 2개의 구멍이 형성되어 있는데, 이 구멍으로 끈이 관통한 채 연결되어 있고 양쪽에 나무 손잡이가 달려 있다. 장비라 부르기 민망할 정도로 간단한 구조로 이루어져 있는 것이다.

시범 테스트에 앞서 페이퍼퓨즈의 형태를 본 사람들은 ‘과연 원심분리가 될까’라고 의심하는 경우가 대부분이었지만, 테스트 결과는 실로 놀라웠다. 회전 속도가 분당 12만 5000회 인 12만5000rpm을 기록했기 때문이다. 병원에서 쓰는 상업용 원심분리기보다 더 빠른 속도였다.

이 같은 결과에 대해 프라카시 박사는 “페이퍼퓨즈를 이용하여 15분 만에 혈액에서 말라리아 기생충을 분리해 낼 수 있었다”라고 밝히며 “전원 공급도 필요 없기 때문에 저소득 국가의 조건에서는 최적의 장비라 할 수 있다”라고 평가했다.