In the micro world, some natural phenomena act weirdly,thus many different physical senses 
　are needed.Additionally, MEMS is a study for such micro/nano world physics.

　MNT Lab. researches various fields in MEMS such as surface modification, nanopost fabrication, 
　micro transportation systems, and optical micromirror by applying EWOD (Electrowetting-on-Dielectric) 
　actuation.In addition to these fields, other projects based on MEMS and nanotechnologies are also 
　studied especially involving biological cell reaction devices and MEMS packaging.

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　Microelectromechanical Systems (MEMS) is the integration of microscale mechanical elements,
　sensors and actuators, and electronics through micromachining technology.

　The MNT Laboratory is specialized in the integration of micro/nanoscale phenomena
　into various MEMS/NEMS designs and applications that can dramatically improve current technology.
　Our current research effects are focused on micro/nano surface modifications and applications of
　the modified surfaces towards various research fields. Also, we are developing novel nanofabrication 
　methods to enhance the effect of the surface modifications.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　- Prof. Joonwon Kim

 Micro Actuator
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　- EWOD actuation system(micro conveyor, optical micro mirror)
　

 EWOD(Electrowetting-On-Dielectric) actuation
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　1. EWOD?

　Solid surface와 liquid droplet이 만나면 고유의 contact angle이 형성됩니다. 
　이렇게 형성된 contact angle은 material property로 solid와 liquid를 알면 contact angle을 구할 수 있습니다. 
　예를 들어 Teflon coating된 표면에서의 물의 contact angle은 약 120도 입니다. 
　하지만 contact angle도 electric field 안에서 달라지게 됩니다.
　이러한 현상을 electrowetting 이라고 하며, 이를 dielectric surface 위에서 구현하는 actuation을 
　EWOD actuation이라고 합니다.

 

　2. Actuation Concept

　기본적으로 EWOD actuation은 초기 electrowetting 현상을 그대로 이용하였습니다. 
　Glass wafer위에 원하는 모양의 electrodes를 디자인 하고 dielectric layer를 형성하였고, 
　윗면에 ITO(Indium Tin Oxide) coating된 glass를 liquid droplet 위에 올려 놓음으로써 
　ground를 연결하는 방식이었습니다.

 

　본 실험실에서는 top ground 가 없이 actuation하는 방법을 개발하고 
　여러 분야에 대한 응용 기술을 개발해 오고 있습니다.

　
 
　

　3. Applications
　1) Micro Conveyor System application
　Top ground electrode 가 없이 4개의 droplets 을 동시에 control하여 conveyor system 을 구현해 보았습니다.
　EWOD actuation을 이용한 transportation system에서는 droplet 자체의 이동을 이용하여 왔습니다. 
　이번 micro conveyor system으로 micro transporting system의 새로운 concept을 제시하였습니다.

 

　2) Optical Micro Mirror application
　EWOD actuation 의 또 다른 응용으로 Optical Micromirror를 제작한 것입니다. 
　4군데의 유체 droplet 이 각각 독립적으로 wetting 현상을 일으켜 micromirror를 
　어떠한 방향으로도 기울일 수 있게 하며, 연속적인 움직임도 가능합니다. 
　Optical switch로 이용할 경우 하나의 device에서 기울이는 각도와 방향을 조절하여 
　multi channel 의 신호를 switching 할 수 있습니다.

　 

 

Nano-Technology ───────────────────────────────────────────────────── 　- Aluminum anodization 　- Localized Electro Chemical Deposition(LECD)    Aluminum anodization ───────────────────────────────────────────────────── 　알루미늄 양극 산화 방법은 쉽게 나노 사이즈의 hole을 만들 수 있는, 널리 알려져 있는 방법입니다. 　알루미늄 양극 산화를 사용하게 되면 수십 nm ~ 수백 nm 의 무수히 많은 hole을 만들 수 있습니다. 　이미 이러한 방법을 토대로 다양한 분야에서 그 응용 사례가 연구되고 있습니다.    Localized Electro Chemical Deposition(LECD) ───────────────────────────────────────────────────── 　LECD란 Localized Electrochemical Deposition의 약자로 고종횡비 구조물을 만드는 방법 중 　surrounding medium 속의 probe를 상대적으로 위치를 바꾸어가며 그 위치에 변화에 따른 구조물을 만드는 　probe direct technique 방법에 속합니다. 　LECD의 기본 원리는 다음과 같습니다. 먼저 probe로 쓰이는 micro electrode와 전도성물질로 된 substrate를 　electrolyte(surrounding medium) 속에서 align합니다.  　그런 다음 electrode와 substrate 사이에 전류를 흘려주면 둘의 가까운 부분에 electric field가 생깁니다.  　이 때 electrode의 끝에서 electrolyte 내부 물의 산소 이온이 전자를 내어놓고 산소 기체가 되어 나가고  　그 전자를 electrolyte 내부의 금속 이온이 받아 금속으로 환원 되 substrate에 붙게 됩니다.  　이 금속은 electrode와 substrate 사이의 electric field를 따라서 자라나고,  　이러한 과정으로 원하는 고종횡비 구조물을 만들어냅니다. 　처음 LECD가 1995년 개발된 이후로 다양한 시도들이 있었습니다.  　가해주는 전압, electrolyte 의 농도, electrode와 substrate 사이의 초기거리 등의 LECD 과정 중의 다양한 　parameter들을 변화시켜 보는 시도를 기본으로, organic 첨가물을 electrolyte에 첨부하여 보거나,  　초음파를 가해주거나, probe를 회전시키며 성장시켜 보는 등의 시도들이 있었습니다.  　본 연구실에서도 이러한 다양한 적용을 통해  　좀 더 작은 사이즈의 고종횡비 구조물을 만드는 연구를 진행하고 있습니다.

 

Surface modification ───────────────────────────────────────────────────── 　- Super hydrophilic surface 　- Super hydrophobic surface    Super hydrophilic surface ───────────────────────────────────────────────────── 　1. Super Hydrophillic Surface by adding nano structures on micro structures 　일반적으로 접촉각이 90도 미만인 표면을 친수성(hydrophilic) 표면이라고 합니다.  　그리고 이러한 표면에 거칠기(roughness)를 증대시키는 미세 구조가 더해질 경우,  　표면의 젖음성(wettability)이 더 증대되게 됩니다.  　이 같은 성질을 이용하여 일반적인 Al 표면에 마이크로 사이즈의 거칠기와  　나노 사이즈의 거칠기를 더함으로써 고성능의 흡습성, 친수성을 가지는 새로운 표면을  　쉽게 대면적으로 만드는데 성공하였습니다.(2005년 특허 출원)  　최근에는 이러한 표면의 다양한 응용 분야를 개발하고 있습니다. 　 　    Super hydrophobic surface ───────────────────────────────────────────────────── 　1. Selective surface modification in microfludic applications 　연꽃잎 위에 빗방울이 떨어지면 표면에 맺히지 않고 쉽게 흘러내림을 볼 수 있습니다. 　연꽃잎의 표면은 아주 작은 nano 단위의 돌기모양의 구조를 하고 있는데 　MEMS 기술을 이용하여 Nanostructure 로 표면을 구성하고 소수성(hydrophobic) 코팅을 하게되면 　위의 사진과 같이 유체의 유동저항(flow resistance)을 크게 감소 시킬 수 있습니다. 　2. Development of nanostructure fabrication methods  　표면을 Nanostructure 로 구성하는 방법을 연구하고 제작하며 　기업에서 응용할 수 있는 제작기법 또한 연구하고 있습니다. 　사진은 Aluminum anodization 을 통한 nanoposts 를 구성한 SEM 사진 입니다.

 

Handling small liquid droplet ───────────────────────────────────────────────────── 　- Nanoliter Dispenser  　- Pneumatic Dispenser  - Integrate Reservoir & Dispenser    Nanoliter dispenser ───────────────────────────────────────────────────── 　MEMS 기술의 성공적인 상품인 Inkjet printer는 우리 주위에서 흔히 접할 수 있는 nanoliter (picoliter까지) dispenser 입니다. 대표적으로 Thermal bubble 방식과 Piezoelectric 방식의 Inkjet printer들이 있으며, 최근 dispenser들을 생화학 (bio-chemistry)분야에 응용되고 있습니다. 본 실험실에서는 Bio-application을 위한 dispenser를 개발해오고 있습니다. 최근에는 개발된 dispenser를 다양한 생화학 및 조직 공학(tissue engineering) 분야에 적용하기 위해 연구 하고 있습니다. 　    Pneumatic Dispenser ───────────────────────────────────────────────────── 　본 연구실에서는 공압(pneumatic) 방식 dispenser를 design 하였습니다. 압력에 따라 Flexible membrane이 deflection 되면서 liquid chamber 내부의 liquid를 dispensing 하도록 design 하였습니다. 특이한 점은 liquid  chamber 내부에 “Backflow Stopper”를 두어서 membrane이 dispensing actuation을 하는 동시에 inlet을 막아  backflow를 줄일 수 있으면서 그 구조 및 원리가 simple 하면서 효과적(effective)입니다.  Integrate Reservoir & Dispenser (Cartridge Type Dispensing System)  ───────────────────────────────────────────────────── 　 본 연구실에서는 dispenser design을 수정하여 Inkjet printer와 같이 dispenser와 liquid를 보관하는  reservoir가 함께 있는 일체형으로 개발하였습니다. 개발된 dispensing system은 사용자가 다루기 편리하면서, 소형화/모듈화하여 다양한 시스템에 쉽게 응용할 수 있도록 하였습니다. 　-Published 1. Sangmin Lee and Joonwon Kim, "DEVELOPMENT OF A NOVEL PNEUMATIC DISPENSER USING AN INTEGRATED BACKFLOW STOPPER", MicroTAS 2008, Oct. 2008., pp 1009-1011 2. Sangmin Lee and Joonwon Kim, "Development of a Simple Cartridge Type Dispensing Module with an Integrated Backflow Stopper", LabAutomation 2009, Jan 24. 2009

 

 

 

 

 

 

 

 

-Dispenser

 

Pneumatic Dispensing System

Dispensing mechanism using integrated backflow stopper

A cartridge-type pneumatic dispensing system

 

-Microfluidics application

 

Microfluidic-based single micro-particle/cell handling techniques

Trap-and-release of a single micro-particle/cell

Dynamic single microbead array for multiplex bead-based assay

 

-Sensors

 

Convective accelerometer

Resonant accelerometer

Liquid metal accelerometer

Liquid metal inertia switch

Liquid metal RF switch

 

-Surface modification

 

Principle and theory

Fabrication

 

 

박우성, 부상필, 박수영, 김도형, 송진우, 전종업, 김준원
강건 구조설계에 기반한 미소 공진형 가속도계의 개발
한국센서학회지, 2012-02, Vol. 21, No. 2, pp. 114~ 120

이상민, 최인호, 김준원 이상민, 최인호, 김준원 이상민, 최인호, 김준원 이상민, 최인호, 김준원 이상민, 최인호, 김준원 이상민, 최인호, 김준원
바이오 응용을 위한 공압 디스펜싱 시스템의 반복 정밀도 연구
한국센서학회지, 2012-01, Vol. 21, No. 1, pp. 53~ 58

Kwanghyun Yoo, Usung Park, and Joonwon Kim,
Development and Characterization of a Novel Configurable MEMS Inertial Switch Using a Microscale Liquid-Metal Droplet in a Microstructured Channel
Sensors and Actuators A: Physical, 2011, Vol. 166, No. 2, pp. 234~ 240

W. Hwang,K. H. Lee,H. Park,J. Kim, J. Park,J. H. Cho,J. H. Jeon,D. Choi,D. Kim,D. Kim,S. Kim,K. Lee,T. Jing, and S. Lee
Some Aspects of The Design and Applications of Nanohoneycomb and Nanofiber Array Structures
Mechanics of Composite Materials, 2011, Vol. 47, No. 1, pp. 17~ 52