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공간을 자유자재로 누비는 가상스피커 개발
김양한 교수
- 3D 입체 영상과 결합해 진정한 3D TV 시대 임박 -- 이론적, 실용적 측면 모두 해결해 곧 상용화 예정 -
원하는 공간 어디서나 마치 스피커가 놓여 있는 것처럼 소리를 들을 수 있는 시스템이 개발돼 곧 상용화 예정이다.
우리 학교 기계공학과 김양한, 최정우 교수 연구팀이 공동으로 3차원 공간상에 자유롭게 가상스피커를 배치할 수 있는 ‘사운드 볼 시스템’을 개발했다.
이번에 개발된 시스템은 원하는 공간상의 위치에 자유자재로 소리를 집중시킬 수 있다. 따라서 3D TV에 적용하면 마치 소리도 사람에게 다가오는 것처럼 느껴져 시각과 청각 모두 3D 기능을 갖춘 진정한 의미의 3D TV를 경험할 수 있게 됐다.
또 오케스트라의 바이올린, 첼로 등 현악기와 플루트, 클라리넷 등의 관악기 소리를 원하는 공간에서 나게 조절할 수 있어 집안에서도 마치 실제 콘서트홀에 온 것 같은 느낌을 받을 수 있다.
게다가 여러 가지 소리를 개별적으로 제어가 가능해 방송국 음향 편집에도 활용될 수 있으며, 자동차에서는 각 좌석별로 네비게이션, 음악, TV 소리 등을 따로 전달하는 등 적용범위가 매우 다양할 것으로 예상된다.
사운드 볼 시스템은 여러 개의 스피커를 이용해 공간상의 원하는 지점에 음향 에너지를 집중시킨 후, 집중된 지점에서 다시 전파되는 소리를 이용해 가상 스피커를 만드는 기술이다.
이 기술은 2002년 김 교수팀이 미국음향학회(Acoustical Society of America)에 발표한 청취공간에 있는 사람만 소리를 듣고, 다른 영역에서는 조용하게 하는 음향 밝기·대조 기술을 발전시킨 것으로 음향 에너지 집중을 통해 소리의 방향, 움직이는 소리 및 소리의 공간감을 제어할 수 있다.
연구팀은 먼저 가상스피커에 대한 이론적 해를 완전한 적분방정식 형태로 세계 최초로 풀어내 3차원 공간 어디에서도 구현 가능하도록 했다.
이와 함께, 여러 개의 단극 음원을 조합한 다극음원(multipole)을 사용하고 지향성(directivity) 조정을 통해 원하는 음장을 만들어 탁월한 청취 선명도를 이끌어 냈다.
김양한 교수는 ”2002년 논문부터 시작된 음향제어분야의 새로운 이론적 토대를 마련한 것은 중요한 의미가 있다“며 ”이 기술을 바탕으로 지난 9월 국내 굴지 전자업체와 TV용 3차원 음향시스템 개발을 착수했다“고 말했다.
최정우 교수는 “앞으로 홈씨어터, 영화관, 공공장소 등에서 개발된 시스템이 사용되면 새로운 3차원 음장 기술이 가지고 있는 효과를 느낄 수 있을 것이다”며 “3차원 영상 기술과 함께 통합돼 새로운 영상과 음향의 세계를 경험할 날이 멀지 않았다”고 말했다.
한편, 연구팀은 이번 기술에 대한 특허출원을 완료했으며, 관련 논문은 지난 달 관련 분야 최대 학술단체인 국제전기전자공학회(IEEE)가 발간하는 국제저널(IEEE Transaction of Audio, Speech, and Language Processing)에 게재됐다.
※ 기술 개요(소리의 공간감을 자유자재로 누구나 요리해 맛볼 수 있는 기술)
오래도록 우리는 완벽한 3D사운드 혹은 소리의 공간감의 완전한 재현이 가능한 이상적인 오디오 시스템을 꿈꾸어 왔다. 그러나 3D사운드는 그 정의가 명확하지 않은 주관적인 개념이며, 그 평가에 대한 절대적인 척도 또한 존재하지 않는다.
최근 다양한 3D sound 기법이 난립하고 있으나, 이는 청취 환경에 따라 변화할 뿐만 아니라, 동일한 환경에서도 청취자가 누구냐에 따라 다르게 인지되는 근본적인 문제점을 내포하고 있다. 음장 재현 방법의 이러한 근본적인 문제는 과거의 스테레오 시스템에서 볼 수 있는 밸런스 노브(balance knob)로부터 그 해결의 실마리를 찾을 수 있다. 즉, 밸런스 노브는 보편적인 최적의 소리를 찾는 대신에 청취자가 원하는 음향 효과를 얻을 때까지 직접적으로 소리를 청취하고, 스스로 조절해 평가할 수 있는 매개체의 역할을 수행한다.
KAIST에서 개발한 Spatial Equalizer는 밸런스 노브와 같이 청취자가 원하는 3D 사운드를 스스로 평가하고 조절하기 위한 것이다. 즉, 청취자가 시공간적으로 원하는 3D사운드를 실시간으로 청취하고 변화시킬 수 있는 인터페이스의 개념 및 구현에 초점을 맞추고 있다. Spatial Equalizer는 인터페이스 상에서 하나의 점 또는 다수의 점으로 표시되는 가상 음원을 사용자가 조종함으로써 소리의 공간감을 제어할 수 있는 길을 열어 주고 있다. 이는 다수의 점 음원들의 위치를 변화시키거나 각 점에 위치한 가상 음원의 크기를 변화시킴으로써 청취자가 원하는 소리를 구현하는 원리다.
즉, 사용자가 원하는 소리의 공간감을 공간상에 위치하는 몇 개의 가상 음원의 조합으로 대치하고, 실제로 사용자는 원하는 공간감과 듣는 소리가 부합되도록 하나 또는 다수의 가상 음원의 위치 및 각 음원에 의한 소리의 크기를 조절하는 것이다. 여기서, 원하는 공간감을 얻기 위한 기본적인 요소로서의 가상 음원을 sound ball이라 정의하고 사용하기로 한다.
가상의 sound ball 혹은 가상의 스피커를 자유롭게 공간상에 만들어 내기 위해 스피커 어레이 제어 기술의 혁신이 필요하다. 다수의 스피커로 이루어진 스피커 어레이(loudspeaker array)를 사용하면 소리(sound)가 전파하는 모양을 자유자재로 만드는 것이 가능함은 잘 알려져 있다. 다수의 스피커를 개별적인 크기와 위상으로 구동하면, 각각의 스피커를 중심으로 하는 다수의 파면이 형성되고, 이들이 공간상에서 간섭(interference)되면서 고유의 형상을 갖게 되는 원리이다. 1678년 발표된 호이겐스(Huygens)의 원리로부터, 키르히호프-헬름홀츠(Kirchhoff-Helmholtz) 적분 방정식에 이르는 이론식이 관련 연구의 배경을 이루고 있다. 하지만, 이러한 이론들은 어디까지나 우리가 만들고자 하는 가상의 스피커, 즉 음원(sound source)이 공간 외부에 존재하는 경우에 적용할 수 있으며, 소리를 재현하고자 하는 공간 내부에 음원이 있을 경우는 물리적으로 불가능한 문제가 된다.
기존 WFS(wave field synthesis)등 관련 연구에서는 근사화한 적분 방정식을 사용하여 시간 역전(time-reversal)의 형태로 내부의 음원이 발생시키는 것과 유사한 음장을 만들어 낼 수 있음을 부분적으로 밝혀졌으나, 물리적으로 발생 가능한 이유와 온전한 형태의 해에 대해서는 알려진 바가 없었다. KAIST에서는 온전한 적분 방정식 형태로 일반해가 존재함을 수학적으로 밝혀내었으며, 이에 따라 전 3차원 공간에서 임의의 위치의 sound ball을 형성할 수 있는 이론적 토대를 마련하였다.
개발된 sound ball 형성 알고리듬을 사용하여, Spatial Equalizer를 실제 오디오 시스템의 형태로 구축하였다. 이 시스템의 목적은 다수의 sound ball을 사용자가 원하는 임의의 지점에 형성하는 것이므로, 이것을 고려하여 24개의 스피커로 이루어진 선형 어레이 및 50개 스피커로 구성된 구형 어레이를 제작하였다. 사용자와 Spatial Equalizer® 사이에 피드백이 실시간으로 이루어지는 제어를 수행하기 위해 스마트 폰을 사용하여 원거리에서 sound ball을 제어할 수 있는 장치를 구현하였다. 이 인터페이스는 OSC(Open Sound Control) 프로토콜을 사용함으로써 제어 장치인 스마트 폰과 호스트 PC가 원거리에서도 제어 변수를 주고 받을 수 있도록 하였다. 즉, 각각의 sound ball의 위치 및 크기가 Spatial Equalizer®의 노브로서 작동하게 되어, 사용자는 Sound ball의 위치와 크기를 조절함으로써 의도하는 소리의 공간감을 직관적으로 형성할 수 있다.
음식을 만드는 경우와 비유적으로 설명하면, sound ball을 이용하여 이제는 사용자가 원하는 시.공간적 소리를 만들 수 있게 된 것이다. 종래에는 특별한 청취 능력을 가진 사람이 이러한 소리를 만드는 즉 특별한 요리사 만이 소리의 공간 감을 만들 수 있었다 하면 이제는 이 기술을 이용하여 모든 사람이 자신이 느끼기에 좋다고 생각하는 소리를 공간상에 만들 수 있는 “소리 만들기” 요리 법과 도구를 가지게 된 것이다.
그림1. 여러 개의 스피커를 통해 가상다극음원을 만들었다. 지향성 조정을 통해 수렴음장을 제거했으며, 가상스피커로부터 원하는 음장을 재현했다.
그림2. 사운드 볼 시스템 개념도
그림3. 5.1채널 방식의 서라운드 스피커(좌)와 가상스피커(우) - 실제 피아노가 시청자 바로 앞에 놓인 것과 같은 소리를 들을 수 있다.
그림4. 사운드 볼이 형성 및 이동하면서 소리가 TV에서 튀어나오는 것과 같은 느낌을 받는다.
2012.10.10
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이상엽 특훈교수, 미국 화학공학회 펠로우 선임
- 화학공학분야 최대 규모 국제학회에 국내 과학자 최초 선임 -
우리 학교 생명화학공학과 이상엽(48, 생명과학기술대학 학장) 특훈교수가 우리나라에서는 처음으로 미국 화학공학회(American Institute of Chemical Engineers) 펠로우(석학회원)로 이달 초 선임됐다.
1908년에 창립돼 100년이 넘는 전통을 자랑하는 미국 화학공학회는 전 세계 90여 개국 43,000여명의 회원을 두고 있는 화학공학 분야 최대 규모 국제 학회다.
이 학회는 화학공학 분야에서 획기적인 기여를 한 멤버들 중 추천과 심사를 거쳐 펠로우로 선임하는데, 우리나라에서는 이 교수가 처음으로 선정됐다.
이상엽 교수는 대사공학의 전문가로, 화학공학의 시스템 디자인 기법과 최적화 전략을 생물시스템에 적용해 바이오기반 화학 산업을 위한 원천기술을 다수 개발한 공로를 인정받았다.
이 교수는 시스템대사공학 분야를 창시해 미생물의 대사회로를 시스템 수준에서 조작해 의학적 응용뿐 아니라, 다양한 원유 유래 화학물질을 바이오기반으로 친 환경적으로 만드는 연구 등에서 세계적인 업적을 내고 있다.
현재 교육과학기술부 기후변화대응 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술 개발 사업과 글로벌프론티어 바이오매스 사업단, 그리고 지능형합성생물학 사업단 과제를 통해 바이오 화학 산업에 필수적인 대사공학 원천기술들을 개발 중이다.
올해 미국화학회 마빈존슨상, 미국산업미생물생명공학회의 찰스톰상을 받았고, 세계경제포럼의 바이오텍 글로벌아젠다카운슬 초대 의장으로 선임되는 등 생명공학분야 세계적인 리더로서 인정받고 있다.
2012.09.19
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배상민 교수, 세계 최고 권위 디자인상 휩쓸어
배상민 교수
- 세계 4대 디자인전에서 41개 상 받아 전 세계 대학교 중 최고 실적 -- 나눔프로젝트로 사회공헌활동도 꾸준히 하는 기부천사 -
세계 4대 디자인 대회에서 우리 학교 산업디자인학과 연구팀이 연속적으로 수상을 해 세계의 이목을 집중시키고 있다.
우리 학교 산업디자인학과 배상민 교수팀은 세계 최고 권위의 디자인전인 ‘2012 IDEA 어워드’에 출품한 작품 2점이 상업 및 산업 제품 디자인 부문과 사회적 영향 부문에서 동상과 컨셉트 어워드를 각각 수상했다.
배 교수팀은 이번 수상으로 세계 4대 디자인 대회에서 무려 41개의 상을 받아 기업이 아닌 대학 연구팀으로는 단연 세계 최고의 실적을 거두었다. IDEA 어워드를 주관하는 미국 산업디자인 학회는 KAIST 배 교수팀의 수상실적이 너무 많아 연구팀을 기업으로 착각하는 해프닝이 벌어지기도 했다.
배 교수 연구팀은 이미 지난해 세계 4대 디자인 대회에서 두 번의 그랜드 슬램을 달성하기도 했다. 세계 4대 디자인상에는 레드닷, iF, IDEA, 굿 디자인 어워드가 있으며, 매년 50개국에서 6,000점 이상의 작품이 출품되고 있다.
IDEA 2012 중장비 제품 디자인 부문에서 동상을 받은 ‘남선 공작기계 디자인’은 국내 최초로 중장비 부문에서 수상한 것으로, 지역경제 활성화를 위해 KAIST와 지역 중소기업의 산학 협력을 통해 이뤄진 프로젝트라서 더욱 의미가 크다. 연구팀이 새롭게 디자인한 공작기계는 기존의 딱딱한 틀에서 벗어나 미래지향적인 외형디자인을 추구함과 동시에 생산성을 고려했다.
이와 함께 사용자의 편의성을 증대시키기 위해 양쪽에 상태표시 라이팅바를 설치, 작업이 어느 정도 진행되고 있는지를 보여주고 기계가 오작동을 하면 라이팅바의 색깔이 바뀌어 멀리서도 기계의 상태를 확인할 수 있도록 했다.
사회적 영향 부문에서 컨셉 어워드를 수상한 사운드스프레이는 사회 기본 인프라가 부족한 제3세계를 위한 모기 퇴치 음파 발생기로 자가 발전해 지속적으로 사용할 수 있는 것이 큰 특징이다.
배 교수는 프레온 가스 퇴치제를 사용할 때 흔들어서 사용하는 행동양식을 모방해 통속에 자가 발전기가 들어 있어 흔들어 충전한 후 해충들이 싫어하는 초음파를 발생시켜 모기를 퇴치하도록 고안했다.
배 교수는 “중소기업이 기술적인 측면에서는 우수하지만 글로벌 경쟁력을 갖추기 위해서는 디자인관리가 꼭 필요하다”며 “지역 경제 활성화 및 일자리 창출을 위해 협력한 성공적인 사례”라고 수상소감을 밝혔다.
또 “사운드스프레이는 제3세계의 열악한 환경과 그들의 문화에 맞는 적정기술”이라며 “지속적인 지원을 위해 연구실에서 적정기술을 적용한 제3세계 용품을 개발하고 있으며, 이번에 수상한 사운드스프레이는 상용화해 동남아시아 및 아프리카 현지에 지원할 예정”이라고 밝혔다.
배상민 교수팀 (ID+IM)은 2005년부터 사회공헌 디자인(Philanthropy Design)을 연구 주제로 삶고 혁신적인 디자인을 통해 소외 받는 90%를 위한 나눔 디자인 프로젝트를 진행해 오고 있으며 그동안 세계 최고 권위의 디자인상을 수상하며 그 우수성과 진정성을 알리고 있다.
그림1. 상업 및 산업 제품 디자인 부문에서 동상을 수상한 남선기공의 SPACE540
- 공작기계의 일반적인 디자인에서 벗어나 미래지향적인 외형디자인을 추구했다.
그림2. 상태표시 라이팅바는 작업이 어느 정도 진행되었는지를 보여주고 기계가 오작동을 하면 라이팅바의 색깔이 빨간색으로 바뀐다.
그림3. 남선기공에 대한 토탈 디자인(total design)
- 기업 이미지(Corporate Identity, CI), 제품 디자인(Product Identity, PI), 전시 및 홍보 디자인 까지 디자인 되어진 종합디자인(Total Design) 프로젝트 수행
그림4. 사회적 영향 부문에서 컨셉 어워드를 수상한 친환경 모기퇴치기 사운드스프레이(Soundspray)
그림5. 사운드스프레이(soundspray)의 구조와 원리 - 통속에 자가발전기가 있어 흔들면 충전이 되고, 모기가 싫어하는 초음파를 발생시켜 모기를 퇴치한다.
2012.07.17
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이상엽 특훈교수, 찰스톰상 수상
우리 학교 생명화학공학과 이상엽(생명과학기술대학 학장) 특훈교수가 미국 산업미생물생명공학회에서 수여하는 ‘2012 찰스톰상(Charles Thom Award)’을 받는다.
이 교수는 화석원료로부터 만들어지는 다양한 화학물질을 미생물의 시스템대사공학을 통해 효율적으로 생산하는 제반기술을 개발하고, 이를 이용해 숙신산, 폴리에스터, 나일론 원료, 알코올, 다이올, 바이오연료 등의 효율적인 생산을 위한 산업균주를 개발한 공로를 인정받아 수상자로 선정됐다.
찰스톰상은 미국 산업미생물생명공학회 주관 산업미생물 및 생명공학 분야에서 전 세계적으로 가장 탁월한 업적을 이룬 연구자를 매년 한명씩 선정해 주는 상으로 1967년 제정됐다.
대상자가 없는 해에는 상을 수여하지 않기도 한 것이 특징인 이 상은 작년까지 40명이 수상했으며, 이상엽 특훈교수는 41번째 수상자로 이름을 올리게 되는데 우리나라에서는 처음이다.
역대 수상자들로는 세계 산업미생물 및 생명공학계의 대부 아놀드 드메인, 데이비드 펄만, 아더 험프리, 테루히코 베뿌 등이 있다.
이 교수는 오는 8월 12일부터 16일까지 미국 워싱턴DC에서 열리는 미국산업미생물생명공학회 연례 학술총회에서 ‘천연 및 비천연 화학물질의 바이오 기반 생산을 위한 전략’을 주제로 찰스톰상 기념강연을 할 예정이다.
2012.07.03
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수브라 수레쉬 미국과학재단(NSF) 총재 초청 특강 개최
- KAIST, 7일 오후 4시 KI빌딩 퓨전홀 에서 개최 -
우리 대학은 7일 오후 4시 대전 본원 KI빌딩 퓨전홀에서 수브라 수레쉬(Subra Suresh) 미국 국립과학재단(NSF: National Science Foundation) 총재를 초청해 ‘과학적 연구와 교육: 기회와 도전과제(Scientific Research and Education: Opportunities and Challenges)’라는 주제로 특강을 개최한다.
2012년 KAIST 세계 명사초청 강연의 일환으로 지난 5월 9일 열린 제레미 리프킨 강연에 이어 두 번째 열리는 이번 특강은 KAIST 교수와 학생은 물론 대덕연구개발특구 연구원들에게도 개방된다.
미국 국립과학재단(이하 NSF)은 정부산하 기관으로 의료분야를 제외한 과학 및 공학 분야의 연구와 교육을 지원하는 역할을 담당하는데 연간 예산은 약 68억달러(약 8조원) 수준이다. 총재와 부총재는 대통령이 지명하고 상원의 인준을 받는다.
수브라 수레쉬 총재는 오바마 대통령이 지명했는데 그 전에는 MIT에서 공과대학장을 지냈다. 서남표 현 KAIST 총장 또한 지난 1984년부터 1988년까지 4년간 레이건 대통령 정부에서 국립과학재단 공학담당 부총재를 역임한 바 있다.(끝).
2012.06.05
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서남표 총장, 스웨덴 국왕 초청 국제행사 참가
- 21~22일, ‘국제총장포럼’ 및 ‘왕립 교수 심포지엄’ 참가 -
- ‘KAIST 국제화’를 주제로 국제총장포럼에서 대표 강연 -
서남표 총장이 21일~22일 이틀 간 스웨덴 스톡홀름 쉐라톤 호텔과 스웨덴 국왕 왕실에서 개최되는 국제행사에 참가해 "KAIST 국제화"를 주제로 강연한다
이번 행사는 스웨덴 국제연구 및 고등교육협력재단(STINT)이 주최하는 ‘국제총장포럼’과 스웨덴 왕실이 주최하는 ‘스웨덴 왕립 교수 심포지엄’으로 각각 나눠져 개최된다.
스웨덴 정부가 미래 국가경쟁력 강화방안 중 최우선 과제로 대학의 경쟁력 강화와 국제화를 꼽고 전 세계 국제화 선도대학 총장단을 초청해 국제행사를 개최하는 배경에는 ‘스웨덴 대학의 국제 경쟁력이 곧 스웨덴의 미래 경쟁력이다’라는 인식 때문이다.
첫날인 21일 개최되는 국제총장포럼에는 서남표 총장을 포함해, 싱가포르 버틸 앤더슨(Bertil Andersson) 난양공대 총장 등 모두 5명이 강연자로 초청됐으며 스웨덴 고등교육청장 등 현지 대학 관계자 15명도 참석한다.
포럼을 주최한 스웨덴 국제연구 및 고등교육협력재단(STINT)은 전 세계에서 가장 빠르게 국제화를 선도하는 이들 대학 총장단을 초청해 ‘국제화를 위한 대학의 전략-비전과 실행’이라는 주제로 발표와 토론을 진행한다.
이번 국제총장포럼은 ▲ KAIST 서남표 총장이 ‘KAIST 국제화 : 목표, 전략, 도전 및 성과’라는 주제발표를 시작으로 ▲ 싱가포르 난양공과대학 버틸 앤더슨(Bertil Andersson) 총장이 ‘싱가포르 국제대학으로서 난양공과대학’, ▲ 미국 오하이오주립대 윌리엄 부르스타인(Willianm Brustein) 부총장이 ‘세계와 교류하는 대학, 오하이오 주립대’ 라는 주제로 발표한다.
이어 ▲ 홍콩대 조셉 성(Joseph Sung) 총장의 ‘국제화 또는 글로벌화를 위한 중국대학의 전략’ ▲ 동경대학 아키히코 타나카(Akihiko Tanaka) 부총장의 ‘동경대학의 국제화 전략’ 에 대한 주제발표와 함께 토론이 이어진다.
서 총장은 다음날인 22일에는 스웨덴 국왕 왕실이 주관하는 ‘왕립 교수 심포지엄’에도 참가해 KAIST 구성원이 기여하고 발전시킬 수 있는 지속가능한 과학기술의 주요 분야를 파악하고 스웨덴 정부기관 및 대학과의 협력이 가능한 방안에 대해서도 논의할 예정이다.
왕립 교수 심포지엄은 ‘환경문제 해결을 위한 과학의 역할’이란 주제로 개최되며 칼 구스타프 16세 스웨덴 국왕은 모두발언을 통해 ‘미래 문제해결을 위한 환경 과학의 중요성’에 대해 직접 연설할 예정이다.
서 총장 이어 23일 스톡홀름 월드트레이드센터에서 개최되는 ‘신개념 전기차 충전 워크숍’에 참가해 KAIST가 개발 중인 무선전력전송기술의 개념과 개발경험을 소개하고 참석자들과 토론을 진행한다.
이번 워크숍에는 스웨덴 산업에너지통신부장관, 스웨덴 교통행정부장관, 볼보트럭 관계자, 스웨덴 자동차업체 관계자 등 스웨덴 학계‧산업계‧정부관계자 20여명이 참석한다.
KAIST 관계자는 “서남표 총장의 이번 스웨덴 방문은 KAIST 국제화 성과를 대표적 북유럽 국가인 스웨덴 학계‧정부‧산업계에 알릴 소중한 기회”라며 “ 한국과 스웨덴간의 과학기술 및 학술교류에 KAIST가 선도적 역할을 해나갈 것”이라고 말했다.
서 총장은 이밖에 작년 12월 KAIST에 약 20억원을 선뜻 기부한 한국전쟁 참전 종군 간호사 출신 쉐스틴 요나손 여사(88세) 부부를 만나 감사의 뜻도 전할 예정이다.[끝]
2012.03.19
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순수 국내기술로 단백질 신약 개발한다!
- KAIST 김학성 교수, 의약품 원료로 사용되는 인공항체 개발 성공 -
- PNAS(미국국립과학원회보)에 2월 10일 발표 -의약품 원료로 사용되는 인간유래 항체를 대체할 수 있는 인공항체가 국내연구진에 의해 개발됐다. 가격은 현재보다 1/100수준으로 저렴하면서 개발이 훨씬 쉬워 개발기간은 기존 10년에서 5년 이내로 크게 단축될 것으로 기대된다.
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 바이오 및 뇌공학과 김동섭 교수와 공동으로 항체가 아닌 단백질을 재설계해 대장균에서 대량생산할 수 있는 인공항체개발에 성공했다.
개발된 인공항체는 항원과의 결합력, 생산성, 면역원성, 구조설계성 등이 용이해 장점만 갖춘 이상적인 단백질로 평가받고 있으며, 현재 치료제의 원료나 진단, 분석용으로 사용중인 항체를 그대로 대체 가능하다. 따라서 세계시장 규모가 192조원에 이르는 단백질 의약품 분야에서 앞으로 순수 국내기술로 개발된 단백질 신약이 세계시장을 주도할 수 있을 것으로 전망된다.
의약품 원료로 병원에서 사용되고 있는 기존의 항체는 치료제뿐만 아니라, 분석, 진단용 등 생명공학 및 의학 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 동물세포 배양을 포함해 복잡한 생산 공정을 통해 제조되기 때문에 1mg에 100만원 정도로 가격이 매우 비싸다. 또 대부분의 항체는 이미 해외 선진국의 특허로 등록돼 있어 비싼 로열티를 지불해야 한다.
이 때문에 우리나라를 포함한 많은 국가에서 이미 특허가 만료된 항체 의약품을 복제하는 바이오시밀러를 개발하는데 집중하고 있고, 질병에 대한 단백질 신약개발 분야는 선진국에 한참 뒤처지는 실정이다.김 교수팀은 먹장어나 칠성장어와 같은 무악류에 존재하는 단백질은 항체는 아니지만 항체처럼 면역작용을 한다는 사실에 착안해 이 분야 연구를 시작했고 마침내 인공항체 개발에 성공했다.
인공항체는 대장균에서 대량생산이 가능해 현재보다 1/100 수준의 싼 가격으로 만들 수 있으며, 모듈구조로 되어 있어 목적에 따라 자유롭게 구조 설계가 가능해 5년 내에 단백질 신약으로 개발 가능한 게 큰 특징이다.
이와 함께 단백질 신약개발에서 중요한 항원과의 결합력을 쉽게 조절할 수 있어 치료 효과가 높고 부작용이 적으며, 열과 pH(수소이온농도)에 대한 안정성이 매우 높고, 면역반응을 유도할 수 있는 면역원은 무시할 만한 수준으로 낮아 단백질 신약으로의 개발 가능성이 매우 높다.
연구팀이 개발한 인공항체 기술은 세포 분석을 통해 폐혈증과 관절염 치료제로서의 후보군으로 효과를 입증했으며 곧 동물실험을 수행할 예정이다.
김학성 교수는 “기존 항체는 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합강도를 높이는 것과 구조 설계가 매우 어려운 단점이 있다”며 “장점만을 갖춘 이상적인 특성의 인공항체는 현재 의약품 원료로 사용되는 항체를 대체할 수 있는 순수 국내 기술로 만들어진 단백질 신약이 될 것”이라고 말했다.
아울러 “개발된 인공항체 단백질 골격과 단백질 설계 기술은 생명공학 및 의학 분야에서 치료, 진단, 분석용 등으로 광범위하게 활용될 것으로 기대 된다”고 덧붙였다.
한편, 이 연구결과는 세계적 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 2월 10 일자에 발표됐으며, 교육과학기술부가 주관하는 미래 유망 파이오니어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<용어설명>○ 항원: 체내에 유입된 외부 물질로 이물질로 인식되어 항체를 생성하는 면역 반응을 유발함
○ 항체: 항원에 특이적으로 결합하여 이를 제거하거나 무력화시키는 면역 관련 단백질
○ 면역원성: 사람이나 동물의 체내에 접종되었을 때, 면역 반응을 유발할 수 있는 항원으로서의 특성
○ 바이오시밀러: 치료 효능이 있는 항체나 호르몬 등을 의미하는 특허가 만료된 단백질 의약품의 복제약품
○ 무악류: 고생대 전기의 초기 어류로서 위, 아래 양 턱이 발달하지 않은 척추동물로 칠성장어와 먹장어가 대표적임
○ 모듈구조: 특정 단백질에서 반복적으로 존재하는 최소 구조적 단위인 모듈에 의해 형성되는 전체 단백질의 구조형태
○ 대장균: 사람이나 동물의 대장에 많이 서식하는 장 내 세균으로, 생명 공학에서는 단백질의 대량 생산에 주로 이용됨
그림1. 사람 항체의 구조. 분자량(150Kda)이 커서 세포내로 침투할 수 없으며 서로 뭉쳐 치는 경향이 커서 쉽게 활성을 잃는다. 그리고 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합 강도를 높이는 것과 합리적 설계가 매우 어려운 단점이 있다.
그림2. 기존 항체 치료제의 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 새로운 비항체 인공항체 단백질. 반복 모듈기반의 인공항체 단백질은 설계 및 구조 예측이 용이하고, 높은 안정성을 갖으며, 결합 면적 및 크기의 조절이 용이하다.
그림3. 연구팀이 개발한 인공항체가 질병유발 인자인 항원과 결합한 모습
그림4. 개발된 인공항체의 3차원 구조
2012.02.13
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언론학 전공자가 이공계 교수됐다
우리 대학은 지난 1일 언론학 전공자인 백영민 교수를 웹사이언스공학전공 조교수로 임명했다. 비(非) 공학 전공자를 이공계 분야 학과교수로 임용한 사례는 KAIST 40년 역사에서 드문 일로 학문간 벽을 없애려는 신선한 시도라는 평가다.
언론학 전공자인 백 교수는 웹에서 커뮤니케이션이 어떻게 이뤄지는지 연구하던 중 기술적인 측면에 관심을 가졌으며 박사학위 논문에서 ‘소집단에서의 온라인 토론이 온라인 네트워킹과 여론에 어떻게 영향을 미쳤는지’를 분석하고 연구한 커뮤니케이션 학자다.
백영민 교수는 미국연구위원회(National Research Council)가 언론학 분야 최고 대학으로 선정한 펜실베니아대에서 2011년 언론학 박사학위를 받았으며 연세대 신문방송학과를 졸업한 후 서울대 언론정보학과 석사와 미국 아이오와대 언론학 석사를 마쳤다.
백 교수는 유학중 2009년 세계 최대 언론학술단체인 세계언론학회(ICA : International Communication Association)에서 최우수 교수논문상(Top Faculty Paper Award)을, 2008년에선 미국언론학회(NCA : International Communication Association)가 수여하는 최우수 학생논문상(Top Student Paper Award)을 수상해 커뮤니케이션 분야 세계 3대 학회 가운데 2개 학회에서 최우수 논문상을 수상했다.
백 교수는 임명소감에서 “웹사이언스는 웹을 통해 사람이라는 존재를 알아가는 흥미로운 학문”이라며 “거대 정보의 구조물인 웹을 대상으로 사람들이 소통하는 방식을 다양한 시각으로 연구해 이 시대의 모습을 다층적으로 조명하고 싶다”라고 말했다.
백 교수의 이번 임용은 KAIST가 학문간 융합을 시도해 창의적 인재를 육성하겠다는 본격적인 신호탄이라고 KAIST측은 설명했다.
맹성현 웹사이언스공학전공 책임교수는 “백 교수는 웹을 공학적 측면 뿐 아니라 사회적 측면에서 새로운 시각으로 분석해 내는 능력을 지녔다”며 “전산학 등 다양한 분야 전공자들과 교류하면서 창조적이고 혁신적인 연구를 시도할 수 있도록 적극 지원할 예정이다”라고 말했다.
한편, 웹사이언스공학은 웹을 학문적 대상으로 보고 웹인프라, 웹기반 빅데이터, 웹소프트웨어, 소셜 애널리틱스 등을 통해 웹 자체의 진화와 웹을 통한 산업 및 인간생활의 진화에 관한 연구를 하는 학문이다. 월드와이드웹(WWW)을 창안한 팀 버너스 리(Tim Berners-Lee)가 2006년에 발표했으며 영국 옥스퍼드대 및 사우스햄튼대, 미국 버클리 캘리포니아 주립대 및 렌슬러 공대에서 활발히 연구중이다.
KAIST 웹사이언스공학전공은 정부가 세계수준의 연구중심대학을 육성하기 위해 벌이고 있는 WCU (World Class University) 사업의 지원을 받아 시작됐으며 소프트웨어 분야에서 창의적 인재 양성 및 세계 최고수준의 연구성과를 목표로 하고 있다.
2012.02.08
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이상엽 특훈교수, 미국 명문대초청 특별강연
우리대학 생명화학공학과 이상엽(생명과학기술대학 학장) 특훈교수가 미국대학에서 초청받아 네임드렉처(Named Lecture) 특별 기념강연을 한다.
네임드렉처 강연은 미국 명문대학에서 일 년에 한 번씩 그 분야 세계 최고 석학을 초빙해 강의를 듣는 특별 강연 프로그램이다.
이상엽 특훈교수는 ‘시스템 대사공학’ 분야 창시자로 미생물의 대사회로를 시스템 수준에서 조작해 다양한 원유 유래 화학물질을 바이오기반에서 친환경적으로 만드는 연구를 진행 중인데, 관련분야에서 큰 연구 성과를 내고 있는 점을 인정해 미국 3개 대학에서 초청했다.
이 교수는 오는 ▲1월 31일 텍사스 오스틴 주립대 화학공학과에서 “미생물 시스템 대사공학에 의한 화학물질의 생산”을 주제로 또 ▲ 2월 1일에는 라이스(Rice)대학 화학 및 생명분자 공학과에서 “시스템 대사공학의 전략과 응용”을 주제로 각각 진행된다. 이밖에 ▲ 2월 6일에는 펜실베니아주립대 화학공학과에서 “시스템 대사공학”을 주제로 강의한다.
이상엽 교수는 “네임드렉처 초청은 과학자나 공학자로서 학문적 기여를 인정받는 것”이라며 “이번 초청은 KAIST뿐만 아니라 개인적으로도 매우 영광스런 일이다”라고 말했다.
이 교수는 현재 교육과학기술부 시스템생물학 연구개발사업과 글로벌 프론티어 바이오매스 사업단 사업, 글로벌 프론티어 지능형합성생물학 사업단에 참여해 연구를 수행중이며, 이를 통해 바이오 화학산업에 필수적인 대사공학 원천기술을 개발하고 있다.
2012.01.25
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장석복 교수 논문, 톰슨 로이터사의 ‘Fast Moving Front’논문으로 선정
우리 학교 화학과 장석복 교수팀(제1저자 조승환 박사과정 학생)이 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 2008년 발표한 논문이 미국 톰슨 로이터(Thomson Reuters)가 선정하는 ‘이 달의 주목할 만 논문(This Month’s Fast Moving Fronts Paper)’으로 선정됐다.
톰슨 로이터사는 매월 SCI 저널 중 최근 3년간 각 학문분야별로 피인용 빈도가 높은 논문을 선정해 논문에 관한 설명과 함께 저자의 인터뷰를 게재하고 있다.
2008년 장 교수팀이 발표한 ‘팔라듐 촉매를 이용한 피리딘 유도체의 탄소-수소 활성화 반응’에 관한 연구가 관련분야에서 많이 인용되면서 그만큼 중요한 학문적 성과로 여겨져 이 상을 수상하는 영예를 얻었다.
장석복 교수는 “저반응성 탄화수소 활성화에 관한 연구는 미래 인류 문명에 필수적인 원료화합물의 공급을 가능하게 할 매우 중대한 프로젝트”라면서 “앞으로 많은 나라들이 화학원료물질 확보방안을 중요한 연구과제로 삼게 될 것”이라고 말했다.
이와 함께 “연구 결과는 이러한 프로젝트의 시초를 다진 의의가 있으며 현재까지는 기초연구에 머무르고 있지만, 실용화되면 탄화수소로부터 메탄과 같은 고부가가치의 화학연료를 대량으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 합성소재, 의료, 화학물질 등에도 다양하게 응용될 수 있을 것”이라고 강조했다.
2012.01.17
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실험비용 획기적으로 절감하는 빠르고 정확한 양자역학 계산 이론 개발
정유성 교수 윌리엄 고다드 교수
현재 널리 사용되고 있는 양자역학 원리를 이용하여 정확하면서도 계산시간이 획기적으로 개선된 새로운 전자밀도범함수 계산이론*이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
*) 전자밀도범함수 계산이론 : 비교적 간단한 파동함수와 전자밀도만으로 에너지와 성질을 계산할 수 있음을 증명한 이론
우리 학교 EEWS대학원 정유성 교수(38세)와 윌리엄 고다드 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 11월 23일자 온라인으로 게재되었다.
정유성 교수와 고다드 교수는 기존의 양자계산의 문제점인 계산시간과 부정확한 예측으로 인한 결과의 신뢰성이 떨어지는 단점을 보완하여, 정확하면서도 빠른 전자밀도범함수 이론과 알고리즘을 개발하였다.
양자역학 계산법 중 파동함수*를 이용하면 정확도가 높은 반면에 계산시간도 빠르게 증가해 수백-수천 개의 원자를 갖는 거대 분자에 적용하기 어렵고, 상대적으로 계산량이 적은 전자밀도를 변수로 사용할 경우 적용할 수 있는 분자의 크기는 증가하지만 정확도가 떨어지는 단점이 있었다.
*) 파동함수(波動函數) : 양자역학에서 물질입자인 전자·양성자·중성자 등의 상태를 나타내는 양
전자들의 상호작용은 스핀*이 같은 전자들끼리의 상호작용과 스핀이 다른 전자들끼리의 상호작용으로 나뉘는데, 파울리의 배타 원리에 의해 스핀이 다른 전자 사이의 거리가 더 가까우므로 스핀이 다른 전자들의 상호작용이 더 크다. 연구팀은 이 점에 착안하여, 기존에 존재하던 정확한 계산법에서 스핀이 다른 전자 사이의 상호작용을 중점적으로 계산하여 속도를 향상시켰다.
*) 스핀(spin) : 입자의 기본성질을 나타내는 물리량 중 하나로, 입자의 고유한 운동량을 나타냄. 소립자들의 특징을 밝히는 중요한 물리량임
또한 전자들의 상호작용은 국소성을 띠기 때문에 멀리 떨어진 전자 사이에는 상호작용이 거의 없어서 이들을 무시하더라도 총 에너지에 영향을 미치지 않는다는 점에 착안하여, 계산시간을 최대 100배이상 단축시키는 알고리즘을 개발하였다. 예를 들어, 기존의 계산방법으로는 탄소 200개와 수소 402개로 이루어진 알케인(aklane) 분자를 정확히 계산하는데 6개월이 걸린 반면, 새로운 방법론을 이용하면 비슷한 정확도로 하루(24시간)면 계산할 수 있다.
정유성 교수는 “그동안 국내의 계산과학 및 재료 설계 커뮤니티가 응용 연구에 주로 집중하여 짧은 시간 동안 훌륭한 결과를 많이 도출한 반면, 상대적으로 긴 시간을 요구하는 기초 방법론이나 소프트웨어 개발에서는 국제경쟁력이 뒤처져 있는 추세였다. 그러나 이번 연구는 기존의 방법들보다 월등한 정확도와 속도를 가진 방법론을 국내에서 개발했다는 점에서 의미가 크다”고 연구의의를 밝혔다.
아울러 이번에 개발된 방법론은 큐켐(Q-CHEM)이라는 상용 소프트웨어 패키지를 통해 일반연구자들에게 공급될 예정이다.알케인(alkane) 분자의 크기에 따라 본 연구에서 제시한 새로운 방법론(local XYGJ-OS)과 기존의 방법론의 계산 시간을 비교한 그래프. local XYGJ-OS는 전자 간 상호작용의 국소성을 이용해 계산 시간을 낮춘 방법이다.다양한 양자계산 방법과 본 연구에서 제시한 XYGJ-OS 방법의 오차. 233개 분자의 생성열을 실험값과 대조하여 오차의 절대값을 평균하였다. B2PLYP부터 XYG3까지의 방법 및 G2, G3 방법은 XYGJ-OS에 비하여 훨씬 많은 시간을 소모한다.
2011.11.29
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장순흥 교수, 일본 후쿠시마 원전사고 조사위원회 국제자문위원 임명
일본정부는 장순흥(57) 원자력 및 양자공학과 교수를 후쿠시마 원전사고 조사위원회 국제자문위원으로 임명했다.
하타무라 요타로 도쿄대학교 명예교수가 위원장을 맡고 있는 후쿠시마 원전사고 조사위원회는 후쿠시마 사고의 원인과 피해상황에 대해 전문적으로 조사하고 검토하며 피해 확산을 최소화하고 유사사고 방지를 위한 정책방향을 제시하기위해 일본정부가 만든 기구다.
국제자문단은 앞으로 조사위원회의 결과에 대해 독립적으로 자문·검토하는 기능을 수행하게 된다.
위원은 장순흥 교수를 비롯해 리처드 메저브(Richard A. Meserve) 카네기연구소장(전 미국 원자력규제위원회 위원장), 앙드레 클라우드 라코스테(Andre-Claude Lacoste) 프랑스 원자력안전규제당국 의장, 그리고 라스 에릭 홈(Lars-Erik Holm) 스웨덴 보건복지청 사무총장 등 총 4명의 국제원자력안전전문가들이 임명됐다.
장순흥 교수는 서울대에서 학부를 졸업하고 MIT에서 석‧박사를 마친 원자력 안전 전문가다. 2006년 6월 미국원자력학회 펠로우에 선정됐고 2009년 9월부터 한국원자력안전위원회 위원을 맡고 있다. 또 올 9월에는 한국원자력학회장에 취임했다.
2011.11.29
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