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MEMS/NEMS(Micro/Nano Electro-Mechanical System)

 

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Fig. 1. 초소형 초정밀 압력 센서 by Omron corp. ()

Fig. 2. Contact lens 타입의 MEMS 센서 (Glaucoma 진단 및 치료) by Sensimed AG ()

 

  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.

 

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Fig. 3. Lung on a chip by Wyss Institute

연구 목적

 

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

  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)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.

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Fig. 6. Blood cells in vein (),

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

* Microfluidics를 이용하여 혈중 암줄기세포를 포획하는 구조의 원리
(ref. Wei-Heong Tan, Shoji Takeuchi (2007) PNAS. 104: 1146-1151)

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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)

 

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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, , 위치 등을 조절할 수 있으며 동시에, 유체관(Ion channel)과 통합된 on-chip 소자를 연구하고 있다.

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

 

 

3. 공기 중 미세먼지의 실시간 감지를 위한 고감도 paddle 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.

 

 

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Fig. 10. Paddle type cantilever dust sensor의 개념도

 

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Fig. 11. Dust sensor의 개념과 미세 먼지 감지의 원리