바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀, 바늘 없는 초정밀 미세 액적 분사 시스템 세계 최초 개발

- 외부 전극·바늘 없이도 전기분사 구현… 공정 혁신 통한 대량생산 기술 제시

- 바이오·반도체·정밀 프린팅 등 차세대 산업 응용 기대

▲ (왼쪽 위부터) 성균관대학교 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수, 연세대학교 의공학부 박인수 교수, 고려대학교 생명정보공학과 이규도 교수, 성균관대학교 메타바이오헬스학과 강채영 학생, 성균관대학교 생명공학연구원 박현준 박사, 고려대학교 생명정보공학과 노석범 학생

바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀이 연세대학교 박인수 교수(의공학과), 고려대학교 이규도 교수(생명정보공학과) 공동 연구팀과 함께 바늘 삽입 없이 작동하는 초정밀 미세 액적 분사 시스템을 세계 최초로 개발했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야의 권위 있는 국제학술지 Advanced Science (IF 14.1) 2025년 9월 26일자 온라인판에 게재되었으며, 해당 호의 표지논문(Front Cover) 으로 선정되었다.

이번 연구에서 개발된 시스템은 전기장을 이용해 액체를 나노~마이크로미터 수준의 초미세 액적으로 분사하는 전기분사(Electrospray) 기술의 구조적 한계를 극복한 혁신적 기술이다. 기존 전기분사 시스템은 외부 전극이나 바늘 구조에 의존해 막힘(clogging), 재현성 저하, 복잡한 제작 공정 등의 문제가 있었으며, 이러한 한계로 인해 바이오칩이나 휴대형 기기로의 응용이 제한적이었다.

▲ 액체금속-내장형 전기분사(LM-ESD) 시스템 개략도 및 미세 액적 생성 원리

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 미세유체칩 내부에 전기장을 직접 형성할 수 있는 내장형 전극 구조를 새롭게 고안했다. PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질의 유연한 칩 내부에 전도성 유체 전극을 삽입함으로써 외부 전극이나 금속 삽입 없이도 전기분사가 가능한 완전 통합형 시스템을 구현하였다.

이 기술은 균일하고 재현성 높은 미세 액적을 장시간 안정적으로 생성할 수 있으며, 전극 막힘 없이 단순한 제작 공정으로도 저비용 대량생산이 가능하다는 점에서 공정 혁신 기술로 평가된다.

▲ 균일한 미세 액적 배열 결과 분석

(a) 형광이미지, (b) SEM, (c-d) KPFM 및 AFM, (e-f) Raman

연구팀은 형광 현미경, 주사전자현미경(SEM), 원자힘현미경(AFM), 켈빈 탐침현미경(KPFM), 라만 분광 분석 등 다양한 첨단 분석 기법을 통해 시스템의 성능을 검증했다. 그 결과, 액적의 크기와 간격을 전기장 세기·거리·유량 조절로 정밀 제어할 수 있음이 확인되었으며, 균질한 표면 증착과 정밀한 패턴 형성이 가능함을 입증했다. 이러한 결과는 단일세포 배열, 바이오칩 제작, 반도체 박막 증착, 정밀 프린팅 등 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 보여준다.

박진성 교수는 “이번 연구는 기존 전기분사 기술의 복잡한 구조와 공정상의 제약을 근본적으로 해결한 결과로, 반도체·바이오·정밀 소재 산업 전반에 적용 가능한 차세대 플랫폼 기술”이라며, “특히 나노·마이크로 단위의 균일한 액적 제어가 가능하다는 점에서 초정밀 바이오 센서 기술로의 확장성이 매우 기대된다”고 밝혔다.

본교 강채영 학생은 “전극을 외부에서 연결하지 않고도 내부에서 전기장을 형성해 안정적인 분사가 가능하다는 점이 핵심”이라며, “향후 바이오센서, 단일세포 분석, 정밀 소재 프린팅 등 다양한 연구에 적용할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단, 보건복지부, 과학기술정보통신부, 교육부의 지원으로 수행되었다.

※ 논문명: Needle-free, Liquid Metal-embedded Electrospray Deposition System for Controlled Microdroplet Printing

※ 학술지: Advanced Science (IF 14.1, Front Cover 논문)

※ 논문링크: http://doi.org/10.1002/advs.202510905