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생체의학 및 전기광학 유연시스템을 위한 적층 가공 (Additive Manufacturing) 기술 개발
김봉중(Bongjoong Kim)(Purdue University / Weldon School of Biomedical Engineering) / kim2430 at purdue.edu /

1. 본인의 연구에 대해서 자세한 소개를 부탁 드립니다.

- 저는 퍼듀대학교에서 멀티 스케일(나노-메조 스케일)의 기능성 제품 (이하 소재, 부품, 디바이스, 시스템 등을 총괄적으로 포함) 생산 및 제작에 사용되는 기존 공정 기법의 한계를 극복하고 다양한 분야에 응용할 수 있는 차세대 공정기법을 개발하고 있습니다. 대표적으로 3차원 마이크로/나노 구조체를 제작된 몰드로부터 분리하여 임의의 기판에 적층 가공 및 생산하였습니다. 이 공정기법을 통하여 마이크로/나노 구조체를 반복적으로 복제할 뿐 아니라, 나아가 대면적 구조체 및 제품의 효율적인 생산을 제공합니다. 또한, 3D 프린팅 기반 적층 가공 기법 개발 및 응용 등의 연구를 진행하고 있습니다. 이 공정기법은 노즐을 통하여 임의의 유연기판에 직접 프린팅 함으로써 복잡한 공정 절차를 생략함에 따라 고객 맞춤형 센서의 신속한 제조 및 생산을 가능하게 하였습니다. 대표적으로 바이오센서의 기계적/전기적 이력현상의 문제점을 보완한 다공성 구조의 센서를 제작하고 생체신호 측정 및 초음파 이미징이 동시에 가능한 환자 맞춤 센서를 개발하였습니다.


2. 최근 논문에서 실리콘 몰드로 나노 구조체를 반복적으로 복제 할 수 있는 방법을 개발하신걸로 압니다. 나노 구조체의 역할은 무엇이며, 기존 제조 공정의 문제점과 제안하신 방법의 개선점은 무엇인가요?

- 플라즈모닉 나노 구조체는 형상, 크기, 주기, 배열방식에 따라 원하는 광학 특성을 제어함으로써 가시광선 및 적외선 영역에서 대역필터, 편광필터 등의 기능을 제공합니다. 하지만 현재까지 보고된 마이크로/나노 구조체 제작공정은 포토리소그래피, 이빔리소그래피, 인터페로미터 리소그래피, 나노임프린트 공정이 사용되고 있습니다. 기존 공정기법은 실리콘 기판 위에서의 구조체 제작에는 상대적으로 어려움이 없으나 공전시간 및 비용면에서 비효율적일 뿐 아니라 기계적, 화학적으로 취약한 유연기판 또는 센서 위에서의 제작이 불가능합니다. 따라서 개발한 적층 가공 공정기법을 적용하여 유연기판 및 센서에 안정적인 마이크로/나노 구조체 조립 및 통합을 제공할 뿐 아니라 나아가 무제한적인 복제를 통하여 공정시간 및 비용을 단축함으로써 경제적인 효과까지 거둘 수 있습니다.

 



3. 심장 전기활동 계측 및 이미징을 위한 환자 맞춤형 바이오센서 제작방법을 제안하신거 같은데 어떤 연구인지 소개를 부탁드립니다.

- 제4차산업혁명 시대에 적합한 다양한 산업들로 인해 제조 기술 패러다임의 전환되고 있으며, 소비자 맞춤형 분산 생산 방식의 미래 공정기법을 요구하고 있습니다. 3D 프린팅을 기반한 적층 가공 공정 플랫폼은 전통적인 가공방식인 CNC 밀링방식과 차별화한 새로운 형식의 공정기술로서 액체 금속, 생체물질 등의 제작공정이 어려운 물질을 직접 프린팅할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 복잡한 공정절차를 생략하고 시간이나 비용을 단축하면서 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다. 대표적으로, 환자 맞춤형 바이오센서 제작 관련하여 MRI 혹은 CT 촬영 기술을 통하여 수술 부위의 기하학적 정보를 획득하고 그에 신속하고 신체 적합한 센서를 설계 및 제작함으로써 효율적인 수술 진행 및 의료사고를 예방할 수 있는 연구를 진행하였습니다.


 


4. 다양한 종류의 연구를 하고 계신걸로 알고 있습니다. 위에 소개해주신 연구외에 더 소개해주실 연구들이 있다면 소개를 부탁드립니다.

- 최근 4차 산업혁명에서 주목하는 산업분야 중 스마트센서는 온도 등의 다양한 물리적 성질을 계측하는 전통적인 센서로부터 레이더, 모션 등의 인지센서와 같은 다기능화, 지능화, 융복화 등의 첨단 차세대 센서를 요구하고 있습니다. 특히, 기존의 단일 대역 적외선을 검출하는 전통적인 센서와 차별화하여 다중 파장 및 편광 적외선을 단일 센서로 검출 및 영상화 하는 스마트 적외선 센서개발을 요구하고 있으며, 이는 복잡한 광학 부품 없이 대상체나 환경의 더 많은 복합적인 정보를 실시간으로 제공합니다. 개발한 나노 구조체 공정기법을 활용하여 기존의 성능을 뛰어넘으면서 다중 파장 및 편광 적외선 검출 및 영상화 등이 가능한 신개념의 적외선 이미징 시스템 구현하고 있습니다. 첫 번째 스텝으로 혼성형 단위 소자 검출기(Hybrid Single pixel detector)와 나노 구조체의 통합을 통하여 향상된 검출 성능을 검증하였으며 공정기법의 유용함 또한 입증하였습니다.

 




5. 현재 소속된 기관의 소개와 어떤 연구를 하고 있는지 소개를 부탁드립니다.

소개해드린 연구는 Purdue University 소속 Chi Hwan Lee 교수님의 지도하에 Lee Research Group (Sticktronics Lab.)에서 진행되었고, 현재 저는 박사학위 취득 후 동일 연구실에서 박사후연구원으로서 연구를 진행하고 있습니다. 현재 연구실에서는 피부, 눈, 장기 등의 인체 부위와 부착되어 생체신호를 측정하며 나아가 약물 전달(drug delivery)까지 가능한 스티커 형태의 웨어러블 디바이스를 개발하고 있습니다.

 


6. 영향을 받은 연구자가 있다면? 또한 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 박사학위 지도교수님이신 이지환 교수님과 석사학위 지도교수님이신 김태원 교수님 지도하에 학위를 받으면서 두 분 모두 ‘뜻이 있는 곳엔 길이 있다’는 말씀해 주셨습니다. 항상 이 말씀을 되새기며 꾸준하게 연구에 매진했던 것이 좋은 연구성과를 도출할 수 있었습니다.


7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 연구를 진행하면서 가장 힘들었을 때는 수 많은 시도에도 불구하고 결과가 안 좋을 때였습니다. 하지만 결국 원하는 연구결과를 도출하였을 때 희열을 느꼈습니다. 대표적으로 3D 플라즈모닉 나노 구조체 전사 기술 개발 과정에서 수많은 시도 끝에 결국 성공하였을 때 큰 희열을 느꼈고 결국에 Nano Letters 저널에 개제함으로써 연구자로서 자부심을 느끼고 보람을 느낄 수 있었습니다.


8. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

- 분야에 상관없이 모든 연구활동 종사자분들은 마찬가지겠지만 중간에 포기하고 싶을 정도로 고된 길입니다. 하지만 앞서 말씀 드린 것처럼 자신만의 가치관을 형성하고 그 길을 따라 연구에 꾸준히 매진하면 학업적으로나 사업적으로나 충분히 성공할 수 있다고 생각합니다.


9. 앞으로 진행할 연구 방향이나 목표가 있으시다면?

- 대규모 마이크로/나노 구조체의 복제기술 개발 연구를 진행하겠습니다. 이 기술은 최대 미터 제곱(m2)넓이의 마이크로/나노 구조체 및 전자제품을 반복적으로 복제할 수 있는 차세대 공정 플랫폼 기법 입니다. 이 기법을 활용하여 임의의 센서시스템과의 원활한 통합 혹은 조립을 통하여 효율적인 전력(Power) 및 비용(Cost)을 제공함과 동시에 시스템의 우수한 진단 및 탐지 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이를 통하여 초대형 이미징 시스템, 군사용 전자광학 시스템 및 바이오 진단/치료 시스템 분야 등의 광범위한 응용 분야에 적용하겠습니다.


* 김봉중 박사의 대표(최신)논문들

1) B. Kim†, A. H. Soepriatna†, W. Park, H. Moon, A. Cox, J. Zhao, N. S. Gupta, C. H. Park, K. Kim, Y. Jeon, H. Jang, D. R. Kim, H. Lee, K.-S. Lee*, C. J. Goergen*, C. H. Lee*, Rapid Custom Prototyping of Soft Poroelastic Biosensor for Simultaneous Epicardial Recording and Imaging, Nat. Commun., 12 (1), 1-14 (2021)

2) B. Kim†, J. Hwang†, J. Yi, D. Kim, A. Urbas, Z. Ku*, C. H. Lee*, Replicable Quasi-Three-Dimensional Nanoantennas for Infrared Bandpass Filtering, ACS Appl. Mater. Interfaces, 13(20), 24024–24031 (2021)

3) K. Kim†,B. Kim†, C. H. Lee*, Printing Flexible and Hybrid Electronics for Human Body-Interfaced Monitoring Systems in Biomedical Applications, Advanced Materials, 32(15) 1902051 (2020)

4) Y. Zhang†,B. Kim†, Y. Gao, D. Wie, C. H. Lee*, B. Xu*, Chemomechanics of Transfer Printing of Thin Films in a Liquid Environment, International journal of solids and structures, 180, 30-44 (2019)

5) B. Kim†, J. Jeon†, Y. Zhang†, D. Wie, J. Hwang, S. J. Lee, D. E. Walker Jr., D. C. Abeysinghe, A. Urbas, B. Xu*, Z. Ku*, C. H. Lee*, Defect-free assembly of three dimensional plasmonic nanoarrays with arbitrary substrate materials and structures, Nano Letters, 19(8), 5796-5805 (2019)

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