서강대학교 “다중물리 & 다중스케일 시스템 연구실” (김동철 교수)

연구실 개요

서강대학교 다중물리 & 다중스케일 시스템 연구실 (Multiphysics & Multiscale Systems Lab) 에서는 생물학적 C1 전환 반응기 내 비평형 상태 용존 C1 가스 및 미생물의 대사산물과 같은 고부가가치 소분자의 농도 분포 실시간 모니터링 기술 개발을 연구하고 있다. 공정 내 실시간 모니터링 기술은 off-line sampling을 통한 반응기 오염의 최소화 및 공정의 최적화를 통해 생물학적 C1 전환의 최대 효율을 창출할 수 있으며 바이오의학, 생화학, 식품안전검사 등의 분야로 확장하여 적용 가능한 기술이다. 그러나 이러한 기술의 현장적용이 가능하기 위해서는 반응기 내 교반, 기포에 의한 기체-액체 물질전달, 미생물 대사 등의 다중 요소에 의한 비평형 상태 예측 및 낮은 수율, 선택도, 콜로이드 불안정성과 같은 직접 검출 한계점 등의 핵심 문제점들을 해결할 수 있는 실시간 모니터링 기술 개발이 요구된다. 본 연구실에서는 미생물의 대사산물 및 용존 C1 가스의 실시간 고감도 검출 위한 표면증강 라만 산란분석용 나노구조체 설계 및 이를 통한 생물학적 C1 전환 공정 내 반응의 실시간 모니터링 기술 연구를 진행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 플라즈모닉 금속 나노 구조체 설계

가시광선 파장 대에서의 광학흡수(optical absorption)에 기반한 분광학(spectroscopy)은 측정 및 데이터처리의 간단함, 범용성, 비표지 분석 등의 여러 장점으로 인해 오늘날 화학이나 생물학 분야에서 가장 널리 쓰이는 분석 방법 중의 하나이다. 이러한 분석방법은 낮은 감도 및 공간 분해능, 긴 검출시간이라는 문제점을 가졌었으나 다양한 금속 나노 구조체의 도입을 통해 이러한 단점을 해결할 수 있었다. 본 연구실에서는 전기장 신호 증폭 메커니즘 및 전산모사에 대한 이해를 기반으로 한 금속 나노 구조체의 크기, 모양, 조성에 따른 설계를 통해 근거리 및 원거리 장에 해당하는 광학 특성 및 물리 화학적 특성의 최적화 및 정밀 제어 연구를 진행하고 있다.

2. 전산모사를 통한 용존 C1 가스 및 대사산물 농도 예측

본 연구실에서는 생물학적 반응기 내에서 용존 C1 가스 및 대사산물의 고감도/실시간 검출을 위해 최적화된 금속 나노 구조체를 포함하며 반응기 내 집적 가능한 라만 산란 기반 분자 검출 플랫폼을 설계하고 이를 통해 얻은 표면증강 라만산란신호에 따른 물질의 농도 예측 및 반응기 내 농도 분포 예측 기술 연구를 진행 중이다. 제작된 금속 나노 구조체에 기포에 의한 신호 간섭 및 오류를 방지하며 biofouling을 최소화시킴과 동시에 물질전달이 저해되지 않는 분광 플랫폼 설계를 통해 검출 신호 안정성을 확보할 수 있다. 반응기 내 교반, 기체-액체 물질전달, 미생물 대사 등 다중 요소를 고려한 전산모사 데이터 학습 및 인공지능 모델을 활용하여 검출된 물질의 측정 데이터를 기반으로 비평형 상태 용존 C1 가스 및 미생물의 대사산물 농도 분포 실시간 모니터링 기술 개발을 연구하고 있다.

연구실 현황

다중물리 & 다중스케일 시스템 연구실은 김동철 교수님을 비롯하여 박사과정 학생 4명, 석사과정 학생 6명, 총 10명의 연구원이 각종 정부 및 기업 과제를 수행하고 있다. 본 연구실은 최근 5년 동안 총 19편의 SCI(E)급 국제 논문을 발표하고 국내외 특허출원 23건 등의 우수한 연구 실적을 올리고 있다. 특히 Advanced Materials, Small에 표지 논문을 게재한 바 있으며 University of Pennsylvania, UC Berkeley 등 해외 우수 연구팀과 활발한 공동 연구 및 연구원 교류를 진행하고 있다. 김동철 교수님의 지도하에 개발한 다중물리 / 다중스케일 시스템을 통해 국내외 관련 연구 분야의 선도 그룹으로 나아가고 있다.