KOSEN 한인과학기술자네트워크

POSTECH 나노 바이오멤스 연구실 (Nano & BioMEMS Laboratory)은 2004년 임근배 교수님께서 설립하신 연구실입니다. 바이오멤스 (BioMEMS)는 생물학적 시스템에 극미세 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 결합한 연구분야입니다. 따라서 기계공학을 기반으로 생명, 화학, 물리학까지 다양한 분야의 학문과 연계하고 있습니다. 저희 연구실은 나노와이어나 나노구조물을 제작하고 이를 이용해 다양한 신호 측정과 생화학 반응에 적용 및 활용에 대한 연구를 주로 수행하고 있습니다. 현재 14명의 석, 박사 및 통합과정의 학생들은 여러 분야의 연구실과의 협동 연구 및 정기적인 국, 내외 학회 참석을 통해 자신의 능력을 펼치고 있습니다. 특히, 임근배 교수님은 연구를 진행하는 과정에서 학생들의 의견을 최대한 존중하고 자율적인 분위기 조성을 통해 진취적이고 창의적인 연구를 유도하고 있습니다.

저희 연구실에서는 크게 세가지로 나눌 수 있는데, 나노와이어 제작을 통한 바이오센서의 개발, 다양한 표면특성을 가지는 나노구조물 제작, 그리고 순수 멤스 공정 기반의 자이로스코프 개발에 관한 연구를 수행하고 있습니다.

1. 나노와이어 제작을 통한 바이오센서의 개발

1-1. 유전이동 (dielectrophoresis)을 이용한 나노와이어 합성/제작

탄소나노튜브 (CNT)를 포함한 용액을 마주보는 전극 주위에 위치시키고 유전이동을 이용해 중앙에 정렬시킵니다. 그 후 water meniscus에 의해 탄소나노튜브 만으로 이루어진 매우 얇고 단단한 형태의 나노와이어를 제작할 수 있습니다. (그림 1) 이 모든 과정은 매우 빠르게 진행되며(~10sec) 탄소나노튜브 뿐만 아니라 전도성 고분자 (conducting polymer) 나노와이어 제작에도 응용이 되고 있습니다. 또한 저희 연구실에서 연구하는 나노탐침 (nanoprobe), 나노필름 (nanofilm) 등은 모두 이 방법을 기초로 제작되고 있습니다.

1-2. 탄소나노튜브 나노탐침 (CNT nanoprobe)

위에서 설명한 방식대로 AFM (Atomic Force Microscope) 탐침 끝에 탄소나노튜브 나노와이어를 합성하고 FIB(Focused Ion Beam)를 이용해 절단을 하면 탄소나노튜브 나노탐침을 제작할 수 있습니다. (그림 2) 이 같은 나노탐침은 기존의 AFM 탐침이 가지는 여러가지 단점을 해결해 줄 수 있을 뿐 아니라 세포나 조직에 삽입을 하여 전기적인 신호를 검출할 수 있기 때문에 매우 유용하게 사용할 수 있습니다. 예를 들어 현재 저희 연구실에서는 이렇게 제작된 탄소나노튜브 나노탐침을 이용해 쥐의 신경신호 측정에 관한 여러가지 실험을 진행 중에 있습니다.

1-3. 탄소나노튜브 나노필름 (CNT nanofilm)
일반적으로 나노와이어 형태의 바이오 센서들은 검출감도 (detection limit)나 활성면적 (active area)에 있어 한계가 있습니다. 따라서 저희 연구실에서는 나노와이어 뿐 아니라 2차원 전극의 면적을 넓혀 나노필름을 합성/제작하는 연구를 하고 있습니다. 이렇게 제작된 탄소나노튜브 나노필름은 본래 넓은 면적을 가짐과 동시에 공중에 떠있는 전극의 구조로 인해 활성면적이 훨씬 더 커지기 때문에 단백질 분자들의 검출능력을 많이 향상시킬 수 있습니다. 또한 다양한 바이오 분자나 세포 (aptamer, e-coli)를 적용하여 센서 활용도를 높이고 있습니다. (그림 3)

2. 다양한 표면특성을 가지는 나노구조물 제작

2-1. 초소수성을 가지는 그물망의 제작

다양한 특성을 가지는 박막 (membrane)의 개발은 매우 활용도가 높은 연구 분야입니다. 저희 연구실에서는 기체는 투과하지만 물과 같은 액체는 통과하지 못하는 선택적 투과막을 제작/활용하는 연구를 하고 있습니다. 상업적으로 널리 쓰이는 그물망 구조를 가지는 메쉬 (mesh)에 전기중합법을 이용해 메쉬 표면에 나노구조물을 만들어 젖음성 (wettability)에 대한 실험을 하였고 다양한 활용방안을 연구 중에 있습니다. (그림 4 上)

2-2. 반사도 조절이 가능한 초소수성 나노그래스 표면 (superhydrophobic nanograss surface)

실리콘 기판의 DRIE 에칭 과정 중에 생성되는 나노그래스를 이용해 초소수성 표면을 제작할 수 있습니다. 저희 연구실에서는 초소수성을 유지하면서 표면의 반사도를 광대역으로 조절할 수 있는 다양한 조건에 관한 연구를 하고 있습니다. (그림 4 下)

3. 멤스 (MEMS) 기술을 이용한 자이로스코프 (Gyroscope)의 제작

자이로스코프는 회전체의 역학적인 운동을 관찰하는 실험기구로서 회천체 3축의 회전 각속도를 각각 검출하는 장치입니다. 자이로스코프는 최근에는 군사적인 목적 뿐 아니라 모바일 기기 등 널리 쓰이고 있어 활용가치가 매우 큰 기술입니다. 저희 연구실에서는 멤스 공정 기술을 이용해 매우 민감한 초소형 자이로스코프를 개발하고 있습니다. (그림 5)

앞에서 소개드린 연구 이외에도 전기방사 (electrospinning), 스캐폴드 (scaffold), 나노유체역학(nanofluidics), 멤스 공정기술 등의 다양한 연구가 진행되고 있습니다.

저희 연구실은 구성원 개인의 개성이 존중됩니다. 교수님께서는 연구원 각자가 가지고 있는 장점을 활용하여 그 사람이 잘할 수 있는 연구를 최대한 지원해 주십니다. 또한 활발한 토의를 통해 창의적이고 모험적인 연구에 긍정적이시며 연구는 적극적인 마인드로 접근해야 좋은 결과를 얻을 수 있다는 확신을 가지고 계십니다. 학생들 역시 독립적 연구자로서 자기 스스로 문제를 해결하고 책임감 있게 연구를 수행하고 있습니다. 더불어 교수님께서는 학위과정 중 해외경험이나 연수를 독려하고 지원해주시고자 노력하십니다. 활발한 연구활동 외에 연구실 구성원들간의 화합도 좋은 연구의 밑거름이 되기 때문에 교수님을 비롯한 연구원들 모두 다양한 단체활동을 하고 있습니다. 정기적으로 배드민턴이나 볼링을 치며 여름과 겨울에는 항상 단체 여행을 하며 화합을 다지고 있습니다.

마지막으로, 저희 연구실은 설립된 이후 빠른 시간 안에 튼튼한 연구 기반을 다졌고, 좋은 연구 성과를 내고 있습니다. 교수님을 비롯한 연구실 구성원간의 화합은 물론이고 연구원에게 물심양면 끊임없는 지원을 아끼지 않는 교수님의 열의가 만들어낸 결과라고 생각합니다. 앞으로도 저희 연구실은 활발한 국내외 연구기관과의 교류를 통하여 나노 바이오 기술 분야에 더 많은 공헌을 하고자 노력할 것입니다. 연구실 소개의 기회를 주신 KOSEN 관계자 분들께 감사 드리며, 지금 이 글을 읽고 계신 모든 분들께도 감사 드립니다.

연구실은 POSTECH, 한국 로봇 융합 연구원 414호에 위치하고 있습니다.
연구에 관심과 열정이 있으신 분들에게 저희 연구실은 언제나 열려 있습니다.
전화: +82-054-279-2913
팩스: +82-054-279-0479
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