KAIST biophotonics laboratory
바이오및뇌공학과 정기훈
KAIST 바이오포토닉스 연구실은 바이오및뇌공학과를 기반으로 첨단 광학 기술과 바이오MEMS, 나노기술을 융합하여 차세대 바이오이미징, 분자진단, 연속 생리 모니터링 시스템을 개발하는 선도적 연구실입니다. 본 연구실은 미세/나노 구조체 기반의 광학 소자 설계 및 제작, 초박형 카메라 및 분광기, 플라즈모닉 나노소재, MEMS/NEMS 기반 바이오센서 등 다양한 혁신 기술을 바탕으로, 생체 내외에서 실시간으로 분자 및 세포 수준의 정보를 획득할 수 있는 플랫폼을 구축하고 있습니다.
연구실의 주요 연구 분야는 초고속 분자진단(플라즈모닉 광열 PCR, 온칩 샘플 전처리, 하이퍼스펙트럴 멀티플렉스 어세이), 연속 생리/헬스케어 모니터링(웨어러블 광학 패치, SERS 기반 마스크, 하이퍼스펙트럴 포토플레티스모그래피), 그리고 초박형 바이오이미징 시스템(마이크로렌즈 어레이 카메라, 마이크로분광기, 광학 MEMS) 등입니다. 이러한 기술들은 감염병, 만성질환, 우주 건강, 고령자 돌봄 등 다양한 의료 및 헬스케어 현장에서 실제로 적용되고 있으며, 논문, 특허, 기술이전, 창업 등으로 이어지고 있습니다.
특히, 연구실은 플라즈모닉 나노구조와 MEMS 기술을 결합하여 기존 진단 및 이미징 시스템의 한계를 극복하고, 소형화·고해상도·고속화·비침습성 등 다양한 요구를 충족시키는 혁신적 솔루션을 제시하고 있습니다. 예를 들어, 초박형 마이크로렌즈 어레이 카메라와 하이퍼스펙트럴 분광기는 치과, 뇌, 피부, 혈관 등 다양한 조직의 3차원 이미징 및 생리 신호 분석에 활용되고 있으며, 플라즈모닉 SERS 센서는 호흡기 바이러스, 대사질환, 암 등 다양한 질환의 조기 진단에 적용되고 있습니다.
연구실은 국내외 다양한 산학연 협력 및 정부·산업체 프로젝트를 수행하며, 실제 임상 및 산업 현장에 적용 가능한 기술 개발에 집중하고 있습니다. 또한, 우주 건강 모니터링, 스마트 헬스케어, 고령자 돌봄, 스포츠 및 재활 등 미래 사회의 다양한 요구에 대응하는 융합 연구를 지속적으로 확장하고 있습니다.
이러한 연구 성과는 세계적 수준의 학술지 논문, 특허, 기술이전, 창업, 국내외 학회 수상 등으로 이어지고 있으며, KAIST 바이오포토닉스 연구실은 미래 바이오메디컬 및 헬스케어 산업을 선도하는 핵심 연구 거점으로 자리매김하고 있습니다.
Plasmonic PCR
Raman Spectroscopy
Microlens Array Camera
BioMEMS 기반 바이오이미징 및 광학 바이오센싱
KAIST 바이오포토닉스 연구실은 BioMEMS(생체 미세전자기계시스템) 기술을 바탕으로 첨단 바이오이미징 및 광학 바이오센싱 시스템을 개발하고 있습니다. 이 연구는 미세/나노 구조체를 활용하여 생체 내에서 실시간으로 분자 수준의 정보를 얻을 수 있는 이미징 및 센싱 플랫폼을 구현하는 데 중점을 두고 있습니다. 특히, MEMS/NEMS 기반의 광학 소자는 기존의 대형 장비에 비해 소형화와 고해상도를 동시에 달성할 수 있어, 현장 진단(point-of-care) 및 연속 생리 모니터링에 최적화된 솔루션을 제공합니다.
연구실에서는 초박형 마이크로렌즈 어레이 카메라, 고해상도 마이크로분광기, 플라즈모닉 나노구조 기반의 SERS(표면증강 라만 산란) 센서 등 다양한 광학 소자를 개발하고 있습니다. 이러한 소자들은 미세생리시스템, 인체 착용형 패치, 내시경, 의료 진단기기 등 다양한 바이오메디컬 응용 분야에 적용되고 있습니다. 예를 들어, 초박형 라이트필드 카메라와 마이크로렌즈 어레이 기술을 활용하여 3차원 조직 이미징, 혈관 및 피부 상태 분석, 치과 및 뇌 질환 진단 등에서 혁신적인 성능을 입증하고 있습니다.
이러한 연구는 바이오이미징 및 바이오센싱의 한계를 극복하며, 비침습적이고 연속적인 생체 신호 모니터링, 질병 조기 진단, 맞춤형 치료 등 미래 의료 패러다임을 선도하고 있습니다. 또한, 우주 건강 모니터링, 이동형 진단기기, 스마트 헬스케어 등 다양한 미래 산업 분야로의 확장 가능성을 보여주고 있습니다.
초고속 분자진단 및 연속 생리 모니터링을 위한 광학 시스템
연구실은 초고속 분자진단과 연속 생리 모니터링을 위한 혁신적인 광학 시스템 개발에 집중하고 있습니다. 대표적으로 플라즈모닉 광열 PCR, 초박형 마이크로분광기, 웨어러블 광학 패치 등은 기존 분자진단의 속도와 정확도를 획기적으로 향상시키고, 사용자의 불편함을 최소화하는 데 기여하고 있습니다. 이러한 시스템은 감염성 질환, 만성질환, 우주 환경 등 다양한 상황에서 신속하고 정확한 분자 수준의 진단을 가능하게 합니다.
특히, 플라즈모닉 광열 PCR 시스템은 나노구조 기반의 광열 효과를 이용하여 기존 PCR 대비 수십 배 빠른 증폭과 실시간 정량 분석을 실현합니다. 또한, 초박형 마이크로분광기와 하이퍼스펙트럴 포토플레티스모그래피(HS-PPG) 기술을 결합하여 혈압, 산소포화도, 대사물질 등 다양한 생리 신호를 연속적으로 모니터링할 수 있습니다. 웨어러블 광학 패치와 SERS 기반 마스크 센서는 호흡기 바이러스, 대사질환, 암 등 다양한 질환의 조기 진단 및 건강 상태 추적에 활용되고 있습니다.
이러한 연구는 미래의 개인 맞춤형 헬스케어, 원격 진단, 스마트 의료기기 산업에 큰 파급효과를 가져오고 있습니다. 또한, 우주 건강 모니터링, 고령자 돌봄, 스포츠 및 재활 분야 등 다양한 응용 분야로 확장되고 있으며, 실제 임상 및 산업 현장에 적용 가능한 기술로 발전하고 있습니다.
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Wearable Hyperspectral Photoplethysmography allows Continuous Monitoring of Exercise-Induced Hypertension
J.-W Park, J. Park, J. Jeon, S. Chae, G. B. Kim, G. Han, H.-S. Park, Y. Jeong, K.-H. Jeong*
Advanced Science, 2025
2
Biologically inspired microlens array camera for high-speed and high-sensitivity imaging
H.-K. Kim, Y.-G. Cha, J.-M. Kwon, S.-I. Bae, K. Kim, K.-W. Jang, Y.-J. Jo, M. Kim*, K.-H. Jeong*
Science Advances, 2025
3
Flat-Field Lens Grating Microspectrometer for Spectroscopic Multiplex Bioassay
G. B. Kim, J.-W. Park, J. Jeon, H. Jeong, E.-S. Yu, K.-H. Jeong*
Advanced Materials Technologies, 2024
1
3차원 나노플라즈모닉구조와 초박형 형광카메라를 이용한 핸드헬드 초고속 광열분자진단시스템
2
(RCMS)초고감도 다중오믹스 검출용 나노광학 센싱소재 개발(2024년도)
3
3D 홀로토그래피 현미경용 마이크로분광기 부품 가공 및 시제품 분석(2024년도)
