마이크로 시스템 연구실에 찾아오신 여러분 환영합니다. 우리 연구실은 자상하신 정상국 교수님과 함께 현재 대학원생 6명과 학부생 4명으로 구성되어 있습니다.

  연구실의 역사는 짧지만 연구원 모두가 주인의식을 바탕으로 연구실의 발전을 위해 열심히 매진한 결과 빠르게 발전하고 있으며 자유로운 분위기에서 즐겁게 연구할 수 있는 환경을 제공하고 있습니다 (명지대학교 자연캠퍼스 제1공학관 실험실: 235호, 오피스: 106호).

  우리 연구실은 연구실의 가치를 높이고 학생의 career 발전에 기여하는 것을 가장 우선적인 가치로 여기고 있습니다.

 

  우리 연구실은 MEMS (Microelectromechanical System) 공정기술과 미소유체 (microfluidics) 제어기술을 기반으로 새로운 초소형 로봇 및 엑추에이터와 같은 마이크로 구동 기술에 대해 연구 하고 있습니다. 세부 연구 분야는 최근 연구의 중요성이 크게 대두되고 있는 바이오/ 에너지/ 광학이지만 연구 분야에 대한 제한을 두지 않고 언제나 새롭고 흥미로운 분야의 연구를 수행할 준비가 되어 있습니다.

■ 미소유체 제어기술 (Microfluidic control technology)

최근 바이오와 나노 기술이 비약적으로 발전하면서 다양한 산업분야에서 미소유체 제어기술에 대한 관심이 높다. 전기습윤 (Electrowettig-on-Dielectric, EWOD)은 외부에서 인가된 전압을 이용하여 미소유체를 효율적으로 제어하는 기술로 의료 및 광학 분야에 있어 기존의 기계적 제어방법에 비해 빠른 응답속도와 낮은 소모전력 그리고 기계적 구동부가 없어 장비의 수명이 길고 또한 시스템의 크기를 줄일 수 있다는 장점들이 있다.

전기습윤은 소수성 절연막으로 코팅된 전극과 그 위에 위지한 전해액적에 전압을 인가하여 액적의 표면장력을 제어하는 기술이다. 열역학적 에너지 접근 방법에 의해 유도된 아래의 Lippmann-young 식을 이용하면 인가된 전압에 따라 액적의 표면장력 변화에 따른 액적의 접촉각를 예측할 수 있다.

 

전기습윤은 소수성 절연막으로 코팅된 전극과 그 위에 위지한 전해액적에 전압을 인가하여 액적의 표면장력을 제어하는 기술이다. 열역학적 에너지 접근 방법에 의해 유도된 아래의 Lippmann-young 식을 이용하면 인가된 전압에 따라 액적의 표면장력 변화에 따른 액적의 접촉각를 예측할 수 있다.

Figure illustrates the typical EWOD configuration with an aqueous sessile droplet resting on a dielectric layer covering the electrode underneath. When the electric voltage V is applied between the aqueous sessile droplet and the electrode, the droplet spontaneously spreads out on the dielectric surface. As a result, the contact angle which is defined in the liquid side is decreased. Note that the applied electric voltage (V) is valid for AC as well as DC voltages, and V is defined as the voltage across the dielectric layer, not between the electrodes. When the electric potential V is removed, the changed contact angle returns to the initial contact angle. That is, the droplet contacts back to the initial shape. As a result, the wettability of liquids on a dielectric surface can be electrically controlled with high reversibility.

Schematic of an envisioned microfluidic mixing system using an alternating current electrowetting-on-dielectric (AC-EWOD)-driven mobile oscillating bubble: (a) Initial state; (b) When a voltage is applied to the top ground electrode and the bottom electrodes where a bubble sits, the bubble oscillates and simultaneously generates a microstreaming flow. Neighboring microparticles are stirred and mixed by the flow; (c) When the oscillating bubble is transported to the right by sequentially activating the array of EWOD electrodes, the microstreaming flow from the bubble is stirring and mixing microparticles through the entire microfluidic chip; (d) the initially gathered microparticles in the left side are widely spread over the entire area in the microfluidic chip

■ 미소물체 제어기술 (Micro-object manipulation technology)

초소형 물체 제어기술은 크게 침습방식 (invasive method) 과 비 침습방식 (non-invasive method)으로 구분 할 수 있다. 침습방식으로 마이크로 피펫 및 MEMS 기술을 이용한 마이크로 집게 등은 마이크로 혹은 나노 크기의 고체 팁 (solid tip)이 제어하고자 하는 미소물체 또는 바이오 셀의 표면에 직접적인 접촉 (direct contact)을 통해 제어하는 기술로 제어 시 바이오 셀 또는 미소 물체에 원하지 않는 손상을 가하는 경우가 많다. 이러한 문제점을 보완 하고자 물리적 접촉이 필요 없는 다양한 제어방법들이 제시되고 있으며 광 구배력 (optical gradient force)을 이용한 광집게 (optical tweezers) 기술은 대표적인 비 침습제어 도구이다. 그러나 광집게 (optical tweezers)는 고가의 레이저 장치와 광학 장비를 필요로 하며 소형화가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점들을 보완하고자 현재 우리 연구실에서는 초음파로 여기된 마이크로 버블 (identical oscillating microbubbles)을 이용하여 바이오 셀 또는 초소형 물체를 원하는 위치로 제어할 수 있는 비 접촉식 제어 방법에 관한 연구를 수행 중에 있다.

When an air bubble is excited by an acoustic wave at its resonant frequency, it oscillates and simultaneously generates caviational microstreaming around it

Micro-object manipulation by acoustically exited identical twin bubbles: (a) Initial state; (b) When identical bubbles on the tips of a U-shaped rod are acoustically exited, they simultaneously oscillate and generate microstreaming, which, in turn, pushes an object; (c) The rod moves to the right, and the object is carried by the microstreaming; (d) The excitation is turned off and the rod moves to the left; the object is released from the bubbles and remains at its position.

 

 

Micro-object manipulation by acoustically exited identical twin bubbles: (a) Initial state; (b) When identical bubbles on the tips of a U-shaped rod are acoustically exited, they simultaneously oscillate and generate microstreaming, which, in turn, pushes an object; (c) The rod moves to the right, and the object is carried by the microstreaming; (d) The excitation is turned off and the rod moves to the left; the object is released from the bubbles and remains at its position.

Schematic of micro-object manipulation using an untethered microrobot: (a) Initial state; (b) When an acoustic wave generated by a piezo-actuator excites a bubble attached on the bottom of a microrobot, the acoustically excited bubble generates a radiation force. Because of the radiation force, an neighboring object is pulled and captured to the bubble; (c) The captured object can be carried with the microrobot propelled by electromagnetic actuation to a desired place. Note that the piezo-actuator is still turned on to hold the captured object during the carrying operation; (d) When the microrobot reaches the desired place, the carried object is released from the bubble by turning the piezo-actuator off. This work has been selected for inculsion in IOP Select.

■ 초소형 로봇 추진 기술 (Microrobot propulsion technology)

   

최근 바이오와 나노 기술이 비약적으로 반전하면서 영화 속의 장면과 같이 인체의 혈관 내부에서 움직일 수 있는 초소형 로봇의 개발에 대한 관심이 높다. 향후 이 로봇은 인체 내부의 필요한 곳에 약물을 수송하는 약물 전달 (drug delivery) 과 바이오 센싱 (bio-sensing) 및 바이오 수술 (bio-surgery) 등과 같은 응용분야들에 이용될 수 있다.

현재 우리 연구실에서는 이전의 추진방법들과는 차별화된 방식으로 초음파에 의해 여기된 버블에서 발생하는 유동과 외부에서 인가한 전자기장 제어기술을 이용한 초소형 물체 추진에 관한 연구를 수행 중에 있다.

Submarine propulsion scheme by a cavitation microstreaming flow: (a) Initial state, (b) A submarine moves to the left when the bubble on the rear side of the submarine is excited by a piezo-actuator attached to the bottom of a water chamber around the bubble resonant frequency.

Schematics of the manipulation of an untethered microrobot in a microchannel using electromagnetic fields.

■ 광 제어 기술 (Optical applications)

 

현재 우리 연구실에서는 전기습윤 원리로 구동하는 유체렌즈(liquid lens)를 비롯한 3차원 휘어지는 디스플레이 (3D flexible display) 기술에 관심을 가지고 연구를 수행 중에 있다.

Schematic of an electrowetting-on-Dielectric (EWOD)-driven optical deflector : (a) Interface tilted in the left side; (b) Interface tilted in the right side by controlling the applied voltages on left and right walls. 

J. H. Lee, K. H. Lee, J. M. Won, K. Rhee, and S. K. Chung,
Mobile Oscillating Bubble Actuated by AC-Electrowetting-on-dielectric (EWOD) for Microfluidic Mixing Enhancement
Sensors and Actuators A: Physical, 2012, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

K. H. Lee, J. H. Lee, J. M. Won, K. Rhee, and S. K. Chung
Micromanipulation Using Cavitational Microstreaming Generated by Acoustically Oscillating Twin Bubbles
Sensors and Actuators A: Physical, 2011, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

J. O. Kwon, J. S. Yang, S. J. Lee, K. Rhee, and S. K. Chung
Electromagnetically actuated micromanipulator using an acoustically oscillating bubble
J. Micromech. Microeng, 2011, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

S. K. Chung, J. O. Kwon, and S. K. Cho
Manipulation of Micro/Mini-objects by AC-Electrowetting-Actuated Oscillating Bubbles: Capturing, Carrying and Releasing
Journal of Adhesion Science and Technology, 2011, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

J. M. Won, J. H. Lee, K. H. Lee, K. Rhee, and S. K. Chung,
Propulsion of Water-Floating Objects by Acoustically Oscillating Microbubbles,
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2011, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

S. K. Chung, K. Rhee, and S. K. Cho
Bubble actuation by electrowetting-on-dielectric (EWOD) and its applications: A review
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,, 2010, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

K. Ryu, S. K. Chung, and S. K. Cho
Micropumping by an Acoustically Excited Oscillating Bubble for Automated Implantable Microfluidic Devices
Journal of the Association for Laboratory Automation, 2010, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

S. K. Chung, K. Ryu, and S. K. Cho
Electrowetting propulsion of water-floating objects,
Applied Physics Letters, 2009, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

J. Jeong, D. Jang, D. Kim, D. Lee, and S. K. Chung
Acoustic bubble-based drug manipulation: Carrying, releasing and penetrating for targeted drug delivery using an electromagnetically actuated microrobot
Sensors and Actuators A: Physical , 2020-04, Vol. 306, No. 111973, pp. 0~ 0

Jinwon Jeong; Jeonghwa Seo; Sang Kug Chung; Jeong-Bong Lee; Daeyoung Kim
Magnetic Field-Induced Recoverable Dynamic Morphological Change of Gallium-Based Liquid Metal
Journal of Microelectromechanical Systems, 2020-10, Vol. 29, No. 5, pp. 0~ 0

J. Jeong, J. Seo, J.-B. Lee, S. K. Chung, and D. Kim
“Electromagnet polarity dependent reversible dynamic behavior of magnetic liquid metal marble,
Materials Research Express, 2020, Vol. 7, No. 15708, pp. 0~ 0