Research

MEMS/NEMS

(Micro/Nano Electro-Mechanical System)

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)란 미세전자기계시스템으로 불리는 것으로, 반도체 공정기술을 기반으로 성립되는 마이크론(㎛)크기의 초소형 정밀기계 제작기술을 말한다. 나노(nm)크기일 경우, NEMS(Nano Electro Mechanical Systems)라고 한다. NEMS/MEMS 기술은 각종 센서, Energy harvesting 등에 적용되어 활발하게 연구되고 있다.

  또한 MEMS/NEMS 분야의 한 줄기로 micro/nano fluidics가 있다. 이는 micro/nano 단위의 유체관 구조 및 외부 자극을 통하여 유체의 흐름, 특성 등을 조절하는 분야이다. 미세 공정 기술의 발달과 함께 수 나노리터의 시료를 제어할 수 있는 유체관의 초정밀 공정이 가능해 지면서, 최근 여러 분야에 적용되고 있다. 유체의 흐름이 micro/nano 단위로 내려오면서 bulk에서는 보이지 않는 다양한 특성이 발현되며 이를 응용한 많은 연구가 진행 중이다. 

연구 목적 

Fig. 4, 5. Lab on a chip 2012 #8 cover (좌), Insulin nano-pump using MEMS technology by Debiotech (우) 

 반도체 공정 기술의 발달과 함께 나노미터 단위의 초정밀 공정이 가능해 졌다. 이는 NEMS/MEMS의 발전에도 큰 영향을 끼쳤으며 다양한 응용이 가능하여 여러 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 특히, 바이오 분야와 융합되면서 매우 적은 양의 생체 시료로 DNA, 단백질, 세포 등에 대한 분리/분석이 가능하고 DDS(drug delivery system)으로 활용이 가능하다. 이러한 기술들이 활용되면서 의료 기기의 소형화, 저가화와 동시에 고기능화가 가능하게 되었다. 이는 각종 질병 진단부터 유전병의 예측, 약물 및 세균 검사 등이 한 칩 안에서 가능하게 하며 인류 복지 향상 및 개인 경제에 큰 영향을 끼칠 것이다.

 본 연구실에서는 미세유체공학의 다양한 기술들을 응용하여 생명공학 및 의료공학에 적용하는micro/nano-bio fluidics에 대한 연구를 진행하고 있다. 또한 센서, MEMS 기술을 적용하여 미세종합분석시스템(micro total analysis system)과 랩온어칩(Lab-on-a-chip)을 목표로 On-chip 통합 소자 개발을 연구 하고 있다.

진행 연구

1. 혈중 암 줄기세포 분리, 분석 및 진단시스템 기술개발

(Development of Technologies for Isolation, Analysis, and Diagnosis System of Circulating Cancer Stem Cells)

  혈중 암 줄기세포 (Circulating Cancer Stem Cell, 이하 CCSC)의 분리, 분석 및 진단시스템 기술개발 연구가 진행 중이다. 암줄기세포 (CSC)는 최근 연구를 통해 암의 재발과 전이암을 야기한다고 밝혀져 주목을 받고 있다.

  본 연구실에서는 유체역학 및 유전영동법(Dielectrophoresis)를 이용하여 암 줄기세포군의 분리, 포획, 배양을 목표로 연구하고 있다.

Fig. 6. Blood cells in vein (좌),

Fig. 7. microfluidic channel able to trap circulating cancer stem cells using trap-and-release structure (우)

* Microfluidics를 이용하여 혈중 암줄기세포를 포획하는 구조의 원리

(ref. Wei-Heong Tan, Shoji Takeuchi (2007) PNAS. 104: 1146-1151)

∙ 유체역학을 이용하여 혈중 암줄기세포를 포획하는 시스템의 실제 구동 모습 

2. 생체 모방형 소자 개발 : Nanopore를 포함하는 유체 통합 소자

(Development of Biomimetic devices : On-Chip Fluidic Channels Incorporating Nanopores)

Fig. 8. Illustration of ion channel by J.P. Cartailler. Symmation LLC.

 Nanopore는 최근 각광 받는 기술로 수 나노 크기의 pore를 말한다. 이는 DNA sequencing에 적용 가능하여 기존 DNA 장비의 저렴화, 소형화, 고기능화가 가능할 것으로 기대 받고 있다.

 본 연구실에서는 뉴런의 정보 전달을 모방, self-aligned double layer resist processing 기술을 이용하여 nanopore의 크기, 수, 위치 등을 조절할 수 있으며 동시에, 유체관(Ion channel)과 통합된 on-chip 소자를 연구하고 있다.

Fig. 9. Self-aligned double layer resist processing기술을 이용하여 제작된 실제 소자의 개념도와 Scanning Electron Microscope (SEM)로 촬영한 이미지 

3. 공기 중 미세먼지의 실시간 감지를 위한 고감도 paddle 형 MEMS Sensor 개발 연구

(Development of highly sensitive paddle type MEMS sensor for real-time detection)

  현재, 캔틸레버 센서의 초미세 질량 측정 특성을 이용하여 공기중 미세먼지 검출을 가능하게 하는 모니터링 센서 개발 및 Sensitivity 향상 연구 중에 있다. 본 센서의 원리는 캔틸레버 paddle에 가해진 전계에 의하여 끌려온 미세입자가 흡착하게 되어 생기는 공진주파수 변화를 통하여 미세먼지의 질량을 측정하는 것이다.

Fig. 10. Paddle type cantilever dust sensor의 개념도

Fig. 11. Dust sensor의 개념과 미세 먼지 감지의 원리