임상 진단 및 액체 취급, 혁신적 모터로 실험실 생산성 개선한다!

전 세계의 실험실에서 과학자들은 인간의 삶의 질을 향상시키는 것을 목표로 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구는 의료, 제약 및농업을 비롯한 수많은 산업에서 성장을 추진하는 데 있어 핵심 요소이다. 이러한 산업에 대한 투자는 인구 고령화와 같은 사회경제적 요소로 인해 이미 상승세에 있었지만, 예방적 치료의 증가 및팬데믹으로 인해 성장이 더욱 촉진됐다.

이러한 성장은 실험실 업무량의 증가로 이어졌으며 과학자들이 점점 늘어나는 일일 업무를 처리하는데 도움을 주는 모터 구동식 도구와 장비가 주목을 받고 있다. 이 기사에서는 과학자들의 샘플 준비, 관리 및 분석 작업을 보조하는 자동 기계용 모터 옵션을 중점적으로 살펴본다.

휴대용 전자 피펫

실험실 기술자는 샘플을 분석하기 전에 용해, 추출, 일부 화학종 과의 반응, 분쇄, 킬레이트 시약 처리, 마스킹, 여과, 희석, 부차 샘플링 등이 포함될 수 있는 일련의 단계를 완료해야 한다. 많은 경우 샘플은 액체 형태이며 하나의 시험 용기에서 다른 용기로 운반할 때 피펫을 사용하여 취급해야 한다. 피펫이 발명된 지는 1세기 이상 지났지만 너무나 큰 폭으로 발전했기 때문에 현대의 피펫은 과거의 피펫과 공통점이 거의 없다.

피펫 자체는 주사기에서 발전했으며 사용 시 동일한 원칙이 적용된다. 이러한 기기는 일반적으로 캠, 피스톤 및 실린더 체계로 구성되어 있다. 피스톤이 움직이면 부분 진공이 형성되어 액체가 피펫 팁으로 이동한다. 피펫은 여러 크기로 제공되며 수 마이크로 리터부터 수백 밀리리터까지 다양한 용량이 존재한다.

대부분의 경우 피펫은 교차 오염을 방지하는 것이 필수적인 멸균 환경에서 사용된다. 따라서 사용자는 피펫을 조작하기 전 매번 새팁을 끼워 샘플 간에 교차 오염이 발생하지 않도록 해야 한다. 조작이 끝나면 작업자는 피펫팅 팁을 빼낸다. 팁은 일회용이거나 멸균 사이클을 거친 후 재사용할 수 있다. 실험실 기술자가 여러 액체 운반 작업을 동시에 수행할 수 있는 다중 채널 피펫 또한 오늘날 흔히 사용된다(일반적으로 8개, 12개 또는 16개 채널 피펫이 사용됨).

<그림1> 다중 채널 피펫의 예시

피펫을 위한 모션 솔루션의 이점

전자 장치의 발전과 비용 감소로 인해 초소형 전기 모터를 피펫 안에 통합하는 것이 가능해졌다. 이를 통해 다음과 같은 특정 이점을 얻을 수 있다.

• 정확성 및 반복성: 전자 피펫을 통해 특정량의 액체를 매우 정확 하고 정밀하게 분사할 수 있다. 피펫의 분해능은 일반적으로 증분당 1마이크로리터이며 부정확성은 1% 미만이다. 정확성만큼 중요한 요소인 반복성은 각후속 조작 중 지정된 양에 대해 정확히 동일한 양의 액체가 흘러나오거나 분사되도록 하는 것을 의미한다.

• 비용 절감: 정확성 및 반복성이 개선되고 피펫의 취급 가능 용량이 점점 더 적어짐에 따라 회사는 분석 중 더 적은 양의 시약을 사용할 수 있게 됐다. 이로 인해 비용이 절감됐다.

• 인체 공학: 전자 피펫을 대신 사용하게 되자 필요 인력이 감소하고 손 또한 적게 움직이게 되어 반복성 긴장 증후군의 발생 위험이 크게 줄어들었다. 일단 전자 피펫을 설정하고 나면 사용자는 버튼 클릭만으로 팁을 충전하고 비울 수 있으며 일부 경우에는 팁을 빼낼 수도 있다.

• 생산성: 전자 피펫에는 자동화 기능이 내장되어 있으므로 기계식 피펫보다 더 빠르게 작업을 수행할 수 있어 지정된 시간 동안 처리할 수 있는 샘플의 수가 증가한다.

• 유연성: 저장 모드, 다중 분사, 혼합 등의 몇 가지 기능 또한 피펫에 추가됐다.

전자 피펫을 위한 모터 기술 옵션
 

• 스테퍼 모터: 스테퍼 모터, 특히 선형 스테퍼 모터 또는 디지털 선형 액추에이터(DLA)는 전자 피펫 응용분야에 적합한 기성 솔루션이다. 내장된 리드 스크류가 전자 피펫의 피스톤과 직접 맞닿아 기기 작동에 필요한 선형동작을 만들어낸다. 또한 스테퍼 이므로 모터 제어에 추가 피드백 센서 또는 인코더가 필요하지 않다.

스테퍼 모터는 전류 펄스마다 점진적으로 회전하므로 제어하기 쉽다. 모터의 선형 이동 정확성과 마이크로 스테핑 가능성은 전자 피펫의 정확성과 반복성에 대한 까다로운 요구를 만족하는 매우 높은 분해능을 제공한다. 또한 이 모터는 전력이 공급되지 않아도 위치를 유지할 수 있어 기기를 더욱 다양한 용도로 사용할 수 있다.

• DC 모터: 대체 솔루션으로는 브러시 DC 모터가 있다. 코어리스 브러시 DC모터는 철 코어 모터와는 반대로 회전자가 코일과 샤프트로만 구성되어 있는 가장 효율적인 기술이다. 그 결과 코어 리스 모터에는 철 유실이 발생하지 않으므로 모터의 효율성과 가속이 크게 개선된다. 전자 피펫은 배터리로 구동되기 때문에 이와 같이 효율성이 상승하면 한 번의 충전으로 더 오래 사용할수 있게 된다.

피펫팅 응용분야의 경우, 브러시 DC 모터에는 회전 동작을 선형 동작으로 전환하고 모터를 제어하기 위해 벨트 드라이브 및 인코더와 같은 추가 구성품이 필요하다.

<그림2> 선형 스테퍼 모터 구성품 설명

<그림3> 코어리스 브러시 DC 모터

전자 피펫을 위한 권장 모터 기술
 

스테퍼 모터와 DC 모터 모두 크기가 작고 가벼운 패키지로 제공 되므로 전자 피펫 설계자는 기기 무게를 최적화할 수 있다. 그러나 이러한 모터 간에는 설계자가 기기에 가장 적합한 기술을 선택할 때 고려해야 하는 몇 가지 장단점이 존재한다. 예를 들어 일부 DC 모터는 선형 스테퍼 모터보다 일반적으로 저렴하지만 전동(회전 동작에서 선형 동작으로 전환)에 필요한 구성품에 추가 비용이 들어간다는 사실을 고려해야 한다. 추가로 고려해야 할 또다른 사항은 일련의 시스템에 더 많은 연결부를 추가하여 발생하는 잠재적인 오류/공차이다. 어떤 기술을 선택하는지는 전자 피펫 제조업체의 상업적 및 기술적 요구 사항에 좌우된다.

<그림4> 실험실 자동화 기계

실험실 자동화
 

언급한 대로, 자동화는 실험실 및 의료 기관의 증가한 업무량을 처리하는 데 있어 핵심 요소이다. 오늘날 실험실 작업 자동화에 사용되는 기계는 여러 형태와 크기로 제공되며, 단순한 액체 취급 부터 전체 샘플 준비, 그리고 최종 분석 결과에 이르기까지 다양한 작업을 수행한다. 실험실 자동화의 일반적인 기능에는 다음이 포함된다.

• 식별 및 스캐닝: 모든 샘플을 식별한다. 카메라와 스캐너가 결과를 식별, 추적 및 기록하는 데 사용된다.
 

• 캡 열기 및 닫기: 샘플은 테스트 튜브와 같은 용기에 담겨 보관된 다. 샘플 처리 시 용기를 열었다가 다시 닫아야 한다.
 

• 운반: 미량 샘플을 한 위치에서 다른 위치로 운반해야 한다. 일반적으로 이러한 샘플의 크기와 양은 다양할 수 있다.
 

• 조작: 트레이 및 컨베이어를 한 스테이션에서 다음 스테이션으로 옮겨야 한다.
 

• 분석: 일반적인 진단 작업에는 원심분리, 시약과의 화학 작용, 분광분석 등의 단계가 포함된다.

실험실 자동화를 위한 모션 솔루션의 이점
 

실험실 자동화 응용분야 내에 초소형 전기 모터를 통합할 수 있는 영역 및 축은 다양하다. 다음과 같은 이점이 있다.

• 긴 수명: 자동 장비는 보통 수년간 연속적으로 작동하므로, 모터 수명은 모터 선택 시 고려해야 하는 중요한 요구 사항이다.
 

• 신뢰성: 고장이나 유지관리 문제가 발생하면 진단 및 환자 치료가 지연된다. 따라서 모터의 신뢰성은 매우 중요하다.
 

• 고속: 속도가 빠른 모터를 사용하면 생산 속도 또한 빨라지며 하루에 수행할 수 있는 진단 수가 늘어난다.
 

• 정밀한 위치 지정: 정확하고 정밀한 솔루션이 필요하다. 모터는 샘플에 투입되는 시약의 양을 결정한다. 따라서 동작에 일관성이 없는 경우 진단 결과에 영향을 미칠 수 있다. 일부 응용분야 에는 다수의 자동 축이 있으므로 다양한 모션 기술을 선택하고 최적화할 수 있다.

실험실 자동화를 위한 모터 기술 옵션
 

• 스테퍼 모터: 스테퍼 모터에는 전자 정류가 있으므로 기계적 마모가 발생하지 않는다. 따라서 이러한 모터는 수명이 길어 실험실 자동화 기계에 사용하기 적합하다. 스테퍼 모터에는 여러 개의 자화된 극이 있어 한 번 회전하는 동안 전류가 여러 번 정류 한다. 이는 곧 안정적인 위치와 높은 토크 성능으로 이어진다. 이러한 모터는 인코더를 사용할 필요 없이 높은 정밀도로 손쉽게 구동할 수 있으며 일반적으로 위치 지정이 중요한 응용분야에서 사용된다.

스테퍼를 사용할 때 절충해야 하는 사항 중 하나는 속도이다. 빠르게 작동하려면 높은 주파수의 정류가 필요하다. 코일의 인덕 턴스 효과로 인해 전류가 상승하는 데는 약간의 시간이 필요하 다. 정류 주파수가 너무 높으면 전류가 상승하는 데 필요한 시간이 충분하지 않다. 그 결과 스테퍼 모터는 속도가 제한되며 일반 적으로 1000RPM 미만의 출력 속도에 이상적인 솔루션이다. 대형 자동 실험실 장비 설계 시 엔지니어들은 중간 출력 응용분야에 스테퍼 모터를 선택한다.

• BLDC 모터: 브러시리스 DC(BLDC) 모터는 브러시 DC 모터와 스테퍼 모터의 장점을 결합한다. 스테퍼 모터와 마찬가지로 브러시 리스 모터에는 전자 정류가 있어 수명이 길다. 그러나 BLDC 모터의 자극 개수는 제한되어 있으므로(일반적으로 2개 또는 4개) 모터가 한 번 회전하는 데 필요한 정류의 수가 더 적다. 균형 잡힌 회전자와 강력한 볼베어링 어셈블리 덕분에, 동일한 정류 주파수 에서 브러시리스 DC 모터는 더 빠르게 작동하며 일부 특정 모터의 경우 최대 10만RPM의 속도에 도달한다. 따라서 고속 요구 사항의 경우 브러시리스 DC 모터 기술이 더 선호된다.

<그림5> 브러시리스 DC 모터 구성품 설명

BLDC 모터는 일반적으로 통합 홀 센서 또는 인코더와 같은 위치 지정 피드백을 사용하여 제어된다. 회전자 위치는 항상 알 수 있으므로 BLDC 모터는 스테퍼 모터처럼 스텝을 상실할 위험이 없는 신뢰성 높은 기술이다. 브러시리스 모터는 다음과 같은 두 가지 버전으로 제공된다.

1. 원통형 모터는 일반적으로 직경보다 길이가 더 길며 보통 로봇 피펫에 사용된다. (그림6의 왼쪽)

2. 플랫 모터(또는 팬케이크 모터)는 보통 길이보다 직경이 더 크다. 이 모터 설계에는 디스크 자석과 플랫 코일이 사용된다. 이모터는 일반적으로 로봇 팔에 사용된다. (그림6의 오른쪽)

<그림6> 원통형 모터 및 플랫 모터의 내부 사진

고전력 밀도 기능을 갖춘 BLDC 모터는 소형 패키지로 높은 출력을 내야 하는 응용분야에 적합하다. 실험실 자동화 기계의 경우 브러시리스 DC 모터는 신뢰성과 생산성이 높은 작업에 이상적인 솔루션이다. 브러시리스 모터는 로봇 피펫 기능은 물론 암 및 그리퍼등 다양한 실험실 자동화 응용분야에 점점 더 널리 사용되고 있다.

실험실 자동화를 위한 권장 모터 기술
 

BLDC 모터는 일반적으로 고전력 밀도 솔루션이 필요한 축에 사용되며 장점으로는 고속 성능이 있다. 스테퍼 모터는 일반적으로 트레이를 운반하는 데 사용되지만, 크기가 작은 스테퍼는 소형 밸브를 제어하는 데 사용할수 있다.

새로운 추세

실험실의 경우 더욱 고도로 자동화되었으며 속도가 빠른 장비를 갖추고, 전기 모터를 사용하는 응용분야에서 정확성을 높이는 것이 추세이다. 전자 부품 기술의 발전은 이러한 중요 응용분야를 추진하는 데 필요한 최적화를 계속해서 제공하고 있다.

두 번째 추세는 질환의 진단 또는 테스트/모니터링을 실험실에서 직접 수행하기보다는 병원, 진료실 또는 환자의 자택 내처럼 환자가 치료받는 위치에서 수행하는 방향으로 전환하는 것이다. 이를 통해 진단을 더 빠르게 내릴 수 있어 질환 또는 기타 좋지 않은 결과로 이어질 수 있는 부정적인 추세를 조기에 발견할 수 있다.

이러한 새로운 추세를 실현할 수 있는 것은 현장 진단(Point of Care, POC) 분석기라고 하는 일련의 소형 분석기가 개발된 덕분이다. 이는 일반적으로 배터리로 구동되는 소형 휴대용 기계이며, 몇 분이면 신속하게 진단을 내릴 수 있는 시약 카트리지가 포함되어 있다. 이러한 POC 기기는 일반적으로 환자 스스로 또는 병원및 자택 간호 시설이나 약국에서 감염병과 같은 특정 질환을 검출하는 데 사용된다.

모션 측면에서 POC 분석기는 시약 혼합, 카트리지 운반 및 미러 회전(분광분석 테스트의 경우)을 포함한 일부 작업에 초소형 모터 솔루션을 활용한다. 선택 기준은 주로 크기, 성능, 가격 및 효율성과 관련되어 있다. 대부분의 엔지니어들은 높은 성능을 내는 비용 효율적인 솔루션인 코어리스 브러시 DC 모터 또는 제어하기 쉬운 소형 스테퍼 모터를 선택한다.

모든 응용분야에 적합한 범용 모터 기술은 존재하지 않는다. 대신 기계 설계자가 더 작고 빠른 기계를 만들 수 있도록 유연성을 제공하는 고유한 이점을 지닌 여러 모션 솔루션이 존재한다. 신뢰할수 있는 모터 제조업체와의 협업을 통해 고유한 맞춤형 실험실 기계를 개발할 수 있으며, 적합한 모터 솔루션을 선택하여 이러한 실험실 기계가 연속 작동 중 신뢰성을 유지하도록 보장할 수 있다.

자료제공: Portescap(www.portescap.kr)