NanoBio Mechanical Systems Lab
기계공학과 이원철
NanoBio Mechanical Systems Lab은 나노 및 바이오 융합기술을 기반으로 첨단 소재, 소자, 분석 플랫폼을 개발하는 연구실입니다. 본 연구실은 기계공학, 재료과학, 바이오공학 등 다양한 학문 분야의 융합을 통해, 차세대 나노/마이크로 제조공정, 바이오나노 소자, 실시간 전자현미경 분석 등 혁신적인 연구를 수행하고 있습니다.
특히, 자가조직화(Self-organization) 현상을 활용한 나노/마이크로 제조공정 개발에 주력하고 있습니다. 그래핀과 같은 2차원 물질을 기판으로 하여, 나노물질과 바이오물질을 융합한 새로운 공정 기술을 연구하며, 미소유체소자 및 스핀코팅 기반의 에피택셜 성장 기술 등 다양한 제조 방법을 개발하고 있습니다. 이러한 공정은 저비용·고효율·고정밀의 장점을 가지며, 반도체, 바이오센서, 에너지 소자 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
또한, 연구실은 2차원 물질 기반의 바이오나노 소자 및 고처리율(single-cell) 분석 플랫폼 개발에 집중하고 있습니다. 단일세포 분석 칩, 나노챔버 어레이, 미소유체 시스템 등 다양한 기술을 통해, 생명현상의 미세한 변화를 정량적으로 분석하고, 맞춤형 진단 및 치료 기술 개발에 기여하고 있습니다. 이러한 연구는 정밀의료, 조직공학, 신약개발 등 바이오메디컬 분야에서 큰 파급효과를 기대할 수 있습니다.
실시간 전자현미경(in-situ TEM) 분석 기술 역시 연구실의 핵심 역량 중 하나입니다. 액상 투과전자현미경 및 나노챔버 어레이를 이용한 분석법을 개발하여, 나노입자의 성장, 자가조립, 상변화, 계면 반응 등 다양한 나노스케일 현상을 원자 수준에서 실시간으로 관찰하고 있습니다. 이를 통해 나노소재 및 바이오소재의 구조적·기능적 특성을 심층적으로 규명하고, 새로운 소재 및 소자 개발에 기여하고 있습니다.
NanoBio Mechanical Systems Lab은 다수의 세계적 학술지 논문, 특허, 산학협력 프로젝트를 수행하며, 국내외 연구기관 및 산업체와의 활발한 협력을 통해 연구성과를 확장하고 있습니다. 앞으로도 나노/바이오 융합기술의 혁신을 선도하며, 미래 산업과 인류 건강 증진에 기여하는 연구실로 성장할 것입니다.
2D Materials
Liquid-Phase Transmission Electron Microscopy
Epitaxial Growth
나노/마이크로 제조공정 및 자가조직화 기반 소재 개발
본 연구실은 나노 및 마이크로 스케일에서의 첨단 제조공정 개발에 주력하고 있습니다. 특히 자가조직화(Self-organization) 현상을 활용하여 기존의 한계를 뛰어넘는 정밀한 구조체와 소자를 제작하는 데 중점을 두고 있습니다. 그래핀과 같은 2차원 물질을 기판으로 하여 나노물질과 바이오물질을 융합한 새로운 제조공정이 연구되고 있으며, 미소유체소자(microfluidic device)를 활용한 공정 개발도 활발히 이루어지고 있습니다.
이러한 연구는 기존의 리소그래피나 고온 증착 방식과 달리, 저온·저비용·고효율의 공정 구현이 가능하다는 장점이 있습니다. 예를 들어, 스핀코팅과 같은 용액 기반 공정에서 에탄올과 암모니아수 혼합액을 활용하여 2차원 물질 표면에 균일하고 조밀한 에피택셜 마이크로와이어를 성장시키는 기술이 개발되었습니다. 이를 통해 대면적 그래핀의 결정 방향 및 그레인 바운더리 측정, 반 데르 발스 헤테로구조 제작 등 다양한 응용이 가능해졌습니다.
이러한 나노/마이크로 제조공정 기술은 차세대 반도체, 바이오센서, 에너지 소자 등 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 연구실은 실시간 전자현미경 분석 등 첨단 분석기법과 융합하여 소재의 구조적·기능적 특성을 심층적으로 규명하고 있습니다. 앞으로도 자가조직화 기반의 혁신적 제조공정 개발을 통해 미래 산업의 핵심 기술을 선도할 계획입니다.
바이오나노 소자 및 고처리율 분석 플랫폼 개발
연구실은 2차원 물질(그래핀 등)을 기반으로 한 바이오나노 소자 개발과 고처리율(single-cell level) 분석 플랫폼 구축에 집중하고 있습니다. 바이오나노 소자는 자가조직화 개념을 활용하여 제작되며, 단일세포 분석, 조직공학, 생체신호 검출 등 다양한 바이오메디컬 응용에 활용되고 있습니다. 특히, 그래핀 기반 바이오나노 소자는 높은 민감도와 선택성을 바탕으로 차세대 바이오센서 및 진단 플랫폼으로 각광받고 있습니다.
고처리율 분석 플랫폼은 대규모 세포 집단의 특성을 단일세포 수준에서 빠르고 정밀하게 분석할 수 있도록 설계되었습니다. 예를 들어, 마이크로챔버 어레이 기반의 단일세포 분석 칩, 미소유체 시스템, 나노챔버 어레이 등 다양한 기술이 개발되어, 세포의 변형, 단백질 농도, 유전자 발현 등 다양한 생물학적 정보를 실시간으로 획득할 수 있습니다. 이러한 기술은 암 진단, 약물 반응 평가, 조직공학 등 정밀의료 분야에서 큰 파급효과를 기대할 수 있습니다.
연구실은 바이오나노 소자와 고처리율 분석 플랫폼의 융합을 통해, 생명현상의 미세한 변화를 정량적으로 규명하고, 맞춤형 진단 및 치료 기술 개발에 기여하고 있습니다. 앞으로도 혁신적인 바이오나노 융합기술을 바탕으로, 의료·생명과학 분야의 새로운 패러다임을 제시할 계획입니다.
실시간 전자현미경(in-situ TEM) 기반 나노스케일 동적 분석
본 연구실은 실시간 전자현미경(in-situ TEM) 분석 기술을 활용하여 나노스케일에서 일어나는 다양한 동적 현상을 규명하고 있습니다. 액상 투과전자현미경(liquid-cell TEM) 및 나노챔버 어레이를 이용한 분석법을 개발하여, 나노입자의 성장, 자가조립, 상변화, 계면 반응 등 복잡한 나노현상을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.
특히, 그래핀 기반의 초박막 윈도우와 규칙적으로 배열된 나노포어 어레이를 결합한 시편 제작 기술을 통해, 액상 환경에서의 고해상도 이미징이 가능해졌습니다. 이를 통해 금속 나노결정의 핵형성, 성장, 상변화, 나노입자 간 상호작용 등 기존에 관찰이 어려웠던 현상을 원자 수준에서 실시간으로 분석할 수 있습니다. 또한, 단일 나노입자 및 바이오물질의 동적 거동을 정량적으로 추적함으로써, 나노소재 및 바이오소재의 물리적·화학적 특성을 심층적으로 이해할 수 있습니다.
이러한 실시간 전자현미경 분석 기술은 나노소재 개발, 바이오센서, 에너지 소재 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 하며, 연구실은 관련 특허 및 논문을 다수 보유하고 있습니다. 앞으로도 첨단 분석기술과 융합하여, 나노 및 바이오 분야의 미지의 현상을 규명하고, 새로운 소재 및 소자 개발에 앞장설 계획입니다.
1
Reversible Disorder-Order Transitions in Atomic Crystal Nucleation
S. Jeon†, T. Heo†, S.Y. Hwang†, J. Ciston, K. Bustillo, B.W. Reed, J. Ham, S. Kim, J. Lim, K. Lim, M.H. Kang, R.S. Bloom, S. Hong, K. Kim, A. Zettl, W.Y. Kim, P. Ercius*, J. Park*, W.C. Lee*
Science, 2021
2
A Large‐Scale Array of Ordered Graphene‐Sandwiched Chambers for Quantitative Liquid‐Phase Transmission Electron Microscopy
K. Lim†, Y. Bae†, S. Jeon†, K. Kim, B.H. Kim, J. Kim, S. Kang, T. Heo, J. Park*, W.C. Lee*
Advanced Materials, 2020
3
Graphene-templated Directional Growth of an Inorganic Nanowire
W.C. Lee†, K. Kim†, J. Park†, J. Koo, H.Y. Jeong, H. Lee, D.A. Weitz, A. Zettl*, S. Takeuchi*
Nature Nanotechnology, 2015
1
극한 시공간 공정조건 제어를 통한 다기능성 층상소재 생산제조 기초연구실
2
액상 시료의 전자현미경 분석을 위한 자율 동작형 나노유체 시스템
3
액상 시료의 동적 거동 관찰을 위한 실시간 투과전자현미경 분석용 나노챔버 개발
