Biomaterial-Based Soft Optics

Nanophotonic structures including photonic crystals and plasmonics have offered new ways to control photons at the nanoscale. However, it is still challenging to demonstrate nanophotonic devices using biomaterials such as silk protein since understanding optical properties and developing new nanofabrication are required. My team has reported various biomaterial-based photonic devices including color filters, random lasers, DFB lasers, flexible reflectors, and plasmonic resonators. Unique traits of the applied biomaterial can be utilized as new working principles of the nanophotonic devices. We are trying to pursue the dream for noble applications of artificial optical tissues, human-implantable biosensors, artificial eyes for soft-robots, and environment sensing.  

광자결정과 플라스모닉스는 빛을 나노수준에서 컨트롤할 수 있는 효율적인 방법을 제시합니다. 이를 실크 단백질과 같은 바이오 물질로 구현함은 물질 고유의 광학특성 이해와 새로운 나노소자공정의 개발이 요구되는 매우 도전적인 과제이나, 향후 시각 향상을 돕는 인공 생체조직, 인체 내 물질을 검지하는 바이오 센서, 로봇의 인공 안구삽입체, 그리고 친환경 센서 등 그 응용범위는 무궁무진합니다. 본 연구실은 다양한 바이오 소재들을 활용, 컬러필터, 무작위 레이저, DFB 레이저, 유연 반사체, 플라스모닉 센서 등을 구현하여 왔으며 바이오 소재 고유 물성을 소자의 새로운 동작 원리로 연결하는 창의적 연구결과를 보여주어 왔습니다. 

Silk protein random laser

(단백질 무작위 레이저)

Protein color filter

(단백질 컬러필터)

Deformable photonic crystal

(변형가능 광자결정 반사체)

Nanoplasmonic resonator

(플라스모닉 나노공진기)

Flexible protein DFB laser

(유연 단백질 레이저 )

Lithography and 3D Printing Technology on Biomaterials

Patterning technologies are essential to demonstrate electrical and optical devices. We have developed lithographic technologies on biomaterials including the electron-beam lithography, ArF 193-nm deep UV lithography, and laser holographic lithography. Nano-patterns can be successfully generated and it is the first demonstration that proteins can be used as resists for lithographic processes. Additionally, to generate 3D artificial tissues, we have developed 3D printing technologies.  

물리 기반 소자를 구현하는데 있어 원하는 패턴을 자유자재로 형성하는 기술 확보는 필수입니다. 바이오 소재 기반 광학, 전자소자 구현 연구 또한 예외는 아닙니다. 그러나 지금까지 바이오 소재에 대한 패터닝 기술 개발은 매우 제한적으로 연구되어 왔습니다. 본 연구실은 나노 반도체 소자 구현에 필수적으로 활용되는 전자빔 리소그래피, ArF 193-nm 심자외선 리소그래피, 대면적 홀로그래피 리소그래피 기술들을 바이오 소재에 적용하는 기술을 개발하여 왔으며, 바이오 소재가 리소그래피 용 레지스트 소재로 활용이 가능함을 세계 최초로 보고하는 등 리소그래피 기술의 응용범위를 확대하여 오고 있습니다. 또한 3차원 인공생체조직을 구현하기 위해 바이오 소재용 3D 프린터를 구축, 3차원 바이오 광학, 전자소자들을 구현하여 오고 있습니다. 

Holographic lithography

(홀로그래피 리소그래피)

193-nm deep UV lithography on silk protein

(실크 단백질 위 193-nm  자외선 리소그래피)

3D printed biomaterials

(바이오물질의 3D 프린팅)

E-beam lithography on silk protein

(실크 단백질 전자빔 리소그래피)

Biomaterial-Based Soft Electronics

Bioinspired artificial electronic tissues are attractive for a wide range of applications, including implantable biomedical devices, healthcare monitoring, soft robotics, and artificial intelligence systems. Softness, deformability, and biocompatibility are highly desirable for seamless interfacing with biological tissues. This has led to an interest in biomaterial-based hydrogels because of their water-rich, soft-mechanical, and bio-friendly properties that resemble those of real biological tissues. Using biomaterials and biocompatible nanomaterials, we have demonstrated artificial electronic and opto-electronic tissues with functionalities of transparent soft-electrodes, tribo- and piezo-electronic energy harvesting, and photoswitching. Our results open a new way to bridge the gap between physics and biology.  

인체의 기능성 향상 또는 소프트 로봇의 구현을 위해 유연한 전자소자를 구현하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다. 더 나아가 생체조직의 기능을 모방하려는 연구로 이어지며, 생체적합성 측면에서 바이오 소재의 활용은 새로운 돌파구를 마련할 수 있습니다. 기존 연구 중 상당 부분은 합성 고분자나 중금속 포함 반도체 물질을 포함하며 이는 생체적합성 측면에서 극복할 대상입니다. 본 연구실은 바이오 소재의 물성개질과 생체적합 나노소재들을 활용하여 전기적/광전기적으로 구동하는 인공 생체조직을 구현하는 연구를 추진 중에 있습니다. 피부에 부착하는 투명 유연전극, 인체의 움직임으로부터 전기 에너지를 수확하는 마찰전기/압전 소자, 빛으로 전기신호를 조절하는 스위칭 소자 등 다양한 바이오 유연 소자들을 구현하여 보고하였으며, 향후 인체의 기능성 향상 및 소프트 로봇을 구성하기 위한 소자들로 응용이 가능합니다.  

Photoswitching device

(바이오 소재 기반 광스위칭)

Triboelectric energy harvesting using silk protein

(실크 단백질 기반 마찰전기 수확소자)

Department of Physics

Department of Energy Systems Research

Ajou University, Republic of Korea

© 2015 by Sunghwan Kim

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