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박용근, 조용훈 교수, 빛을 자유자재로 다룰 수 있는 광학기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근, 조용훈 교수와 고려대학교 재료공학과 이헌 교수 공동 연구팀이 빛의 산란을 이용해 다기능 광학 기기를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 나노분야 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 6월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
빛이 안개나 페인트 등의 불규칙한 매질을 투과하면 매우 복잡한 형태의 수많은 반사와 굴절이 발생한다. 이를 빛의 다중 산란이라고 하는데, 다중 산란을 겪은 빛은 간섭이라는 물리 현상을 통해 복잡한 패턴을 나타낸다.
우리가 짙은 안개 속에서 앞을 볼 수 없고 맥주의 거품이 하얗게 보이는 것도 빛의 다중산란이 만든 현상이다. 일반적으로 다중 산란이 생기면 빛이 매우 불규칙한 형태로 지나가기 때문에 제어가 어렵다.
그러나 홀로그래피 기술을 이용해 입사하는 빛의 방향을 잘 제어해주면 다중 산란이 발생해도 원하는 형태로 빛을 제어할 수 있다. 연구팀은 이러한 다중 산란을 효과적으로 활용해 빛의 다양한 성질을 제어할 수 있는 새로운 개념의 광학기기를 개발했다.
이 광학기기는 빛의 반사나 굴절의 원리를 이용하던 기존 기술과 달리 빛의 산란을 이용했다는 특징을 갖는다.
연구팀의 광학기기는 복잡 매질과 광 고분자 필름으로 구성된다. 광 고분자 필름은 입사되는 빛을 홀로그래피 기술을 통해 원하는 모양으로 제어한다. 또한 제어된 빛을 기록하고 실제로 비추는 역할을 한다.
광 고분자 필름을 통해 들어온 빛은 복잡 매질을 지나 일정한 패턴으로 다중 산란돼 원하는 모양의 빛을 나타낸다. 이 두 가지 과정을 통해 독립적으로 활용 가능한 다기능 산란 광학기기의 구현이 가능해진다.
이 기술로 투과된 빛의 진폭, 파장, 편광 뿐 아니라 기존 광학계 기술로는 접근이 어려웠던 근접장 성분까지도 제어할 수 있다.
연구팀은 기존의 광학 부품들로는 구현이 매우 어려웠던 산란 제어를 복잡한 광학적 설계나 제조공정 없이 단일 광학 부품으로도 저렴하게 제작할 수 있다고 밝혔다.
이번 연구를 주도한 박종찬 학생은 “관련 기술은 광학 기기를 제작하는 원천 기술로 활용될 수 있다”며 “향후 리소그래피, 광통신, 바이오 이미징 기술 등 빛이 사용되는 다양한 분야에 응용 가능하다”고 말했다.
□ 사진 설명
사진1. 제작된 산란 광학 기기 실제 사진
사진2. 산란 광학기기를 이용한 빛의 다양한 성분 제어
사진3. 산란 광학기기 모식도
2016.07.12
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허원도 교수, 세포의 새로운 칼슘 신호 발견
〈 허 원 도 교수 〉
우리 대학 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 세포이동 시 세포의 후방 부위에 새로운 칼슘신호가 있는 것을 발견하고 그 역할을 밝히는 데 성공했다.
허 교수 연구팀은 최근 독자적으로 개발한 광유전학 기법인 광활성세포성장인자수용체(OptoFGFR)와 그 하위 신호전달 단백질을 제어할 수 있는 다른 광유전학 기술을 조합하는 방법을 이용했다.
김진만 박사(의과학대학원), 이민지 박사과정 학생(생명과학과)이 주도한 이번 연구는 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 온라인 판에 5월 17일자로 게재됐다.
우리 몸을 이루고 있는 세포들은 가만히 멈춰있는 것이 아니라 끊임없이 이동한다. 세포의 이동은 개체의 발달과 유지에 핵심적인 과정이며, 다양한 생리 및 암 전이와 같은 병리적 조건에서 중요한 역할을 담당한다.
특히 배아 발달, 상처 치유, 면역세포 이동 등에서는 세포가 특정 방향으로 이동하는 것이 중요하다. 방향성을 가진 세포는 주변 환경과 상호작용하며 이동하게 되는데 세포의 극성화(Polarization)와 액틴 섬유 등의 세포 골격의 재배열을 통해 이동한다.
방향성을 갖는 세포이동은 복잡한 신호와 신호전달단백질에 의해 매개되는데 신호전달과정은 매우 역동적이며 부위 특이적으로 일어난다.
따라서 이러한 세포의 생화학적인 변화에 중요한 요소와 그 분자적 기전을 밝히는 데에는 어려움이 따른다. 연구진은 원하는 특정 부위에만 자극을 줄 수 있고, 수용체와 같은 상위 신호전달 단백질부터 실제 세포가 움직이도록 작용하는 하위 단백질까지 활성을 각각 조절할 수 있는 광유전학 기술의 장점을 이용했다.
국소적인 빛 자극을 통해 세포의 이동을 유도하는 모델을 구축하고 이를 통해 방향성을 가지는 세포 이동을 개별 세포 수준에서 분석하는데 성공한 것이다.
연구진은 광유전학 기술의 적용을 통해 방향성을 가진 세포 이동시에 발생하는 부위 특이적인 칼슘신호(Ca²⁺ sparklet)를 발견했다.
기존 연구에서는 세포 이동시에 세포내 칼슘 농도 경사가 생기는 과정이 전혀 알려져 있지 않았다. 연구진은 세포전방부위에 빛을 비춰 세포성장인자수용체(FGFR)가 활성화돼 여러 신호전달과정이 진행되면서 세포막이 앞으로 팽창하고 세포가 전진하게 되는 것을 확인했다.
신호전달이 세포후방부위까지 전달되면서 세포후방에 있는 세포막칼슘채널의 국소적이고 반복적인 개방을 통해 칼슘이온 농도가 증가, 액틴(Actin)중합을 유도하여 세포후방부위가 수축, 세포이동이 이루어짐을 알게 됐다.
이번 연구는 신호전달 체계의 상, 하위에 있는 단백질들을 특이적으로 조절할 수 있는 다양한 광유전학 기술들을 효과적으로 적용하여 방향성을 가진 세포이동에서 칼슘이온의 새로운 역할을 밝혔다는 점에서 의의가 있다.
세포이동시 세포의 후방 부에 특이적이고 반복적으로 칼슘이 증가하는 현상을 확인, 증가한 칼슘이온이 세포 이동에서 세포의 전방부위와 후방부위의 신호전달단백질의 상호작용에 관여할 뿐만 아니라, 세포 내 전체적인 칼슘의 농도경사를 유지하는데 필수적으로 작용한다는 것을 밝혀낸 것이다.
이 기술은 광유전학 기술의 장점을 극대화한 생물학적 연구의 표본을 제시한다는 점에서 유용할 것으로 기대된다.
□ 그림 설명
그림1. 청색광의 부분 자극에 의해 세포 내에서 발생하는 칼슘신호들
그림2. 광유전학 기술을 이용한 광유도 세포 이동 모델의 구축
2016.05.27
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KAIST, ‘산업체 연구비 대학랭킹’ 세계 3위
우리 대학이 ‘산업체로부터 받는 연구비 세계대학순위’에서 세계 3위에 올랐다.
영국의 고등교육평가기관인 ‘THE’는 지난 3일(현지시간) 교수 한 명이 민간부문에서 받은 연구비를 조사한 결과인 ‘산업체 연구비 세계대학순위 20개 대학’을 자사 홈페이지에 발표했다.
‘산업체 연구비 세계대학순위’는 THE의 2015/2016년 세계대학평가 순위를 활용했으며, 순위는‘산업체 및 민간부문으로부터 받은 연구비’를 기준으로 선정됐다.
자료는 THE의 2015/2016년 세계대학평가 가운데 5개 이상의 대학을 가진 나라의 것만 활용했으며, 각 나라별 상위 5개 대학의 연구비만 검토했다.
독일의 루트비히 막시밀리안 대학(LMU Munich)은 2013년 교수 당 39만 달러에 해당되는 연구비를 민간부문에서 지원 받아 전체 1위를 차지했다.
미국의 듀큐 대학은 교수 당 29만 달러로 2위를 차지했으며, KAIST가 254,700달러로 전체 3위에 올랐다.
상위 20개 대학 가운데 유럽에 있는 대학이 9개로 가장 많았으며, 아시아 지역에서는 7개 대학, 북미지역에서는 2개의 대학이 상위권에 올랐다.
아시아 지역 7개 대학 가운데 4개 대학이 중국대학이며, 중국석유대학은 7위(227,600달러)에 올라 중국 내 대학 가운데 가장 높은 순위를 기록했다.
이밖에 독일, 대한민국, 터키, 네덜란드, 미국에서 각각 2개 대학이 상위 20위에 들었다. 끝.
2016.03.08
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한진우 동문, 美 ‘젊은 과학기술인상’ 수상
우리 대학 동문인 한진우(36) 박사가 미국 백악관과 연방정부가 선정하는 ‘촉망받는 젊은 과학기술인 105인’에 포함됐다.
1996년 제정된 ‘젊은 과학기술인상’은 미국 백악관과 연방정부가 미국 과학발전에 공헌하게 될 젊은 과학자와 엔지지어를 선정해 시상하고 최대 5년까지 연구기금을 지원하는 상이다.
시상식은 2016년 봄 미국 백악관에서 오바마 대통령이 참석한 가운데 진행된다.
한진우 박사는 2010년 KAIST 전기및전자공학부(지도교수 최양규)에서 박사 학위를 받고 같은 해 미국 항공우주국 에임즈 연구센터(NASA Ames Research Center)에 파견됐으며 현재는 정규 연구원으로 근무 중이다.
한 박사는 나사 나노기술연구소의 메야 메야판(Meyya Meyyappan)소장과 함께 우주 방사선 내성 반도체 소자 및 방사선 가스센서를 개발 중인데, 그 가능성을 인정받아 이번 수상자로 선정됐다.
KAIST는 2008년 나사(NASA)와 ‘항공우주 분야 연구협력’ 협정을 체결한 후 현재까지 12명의 연구원을 나사 에임즈연구센터에 파견해 왔으며 올해 2명의 연구원을 추가로 파견할 계획이다. 끝.
2016.02.22
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수학 통해 생체시계 유지 원리 60여년 만에 밝혀
김 재 경 교수
우리 대학 수리과학과 김재경 교수가 미분방정식을 이용한 수학적 모델링을 통해 온도 변화에도 생체시계의 속도를 유지하는 원리를 발견했다.
이번 연구는 저명 학술지 셀(Cell) 자매지 몰라큘러 셀(Molecular Cell) 10월 1일자에 게재됐다.
우리 뇌에 위치한 생체시계는 밤 9시 경이 되면 멜라토닌 분비가 시작되게 하고 아침 7시 경에 멈추게 한다. 그로 인해 우리는 매일 일정한 시간에 잠을 자고 기상할 수 있다.
생체시계는 온도가 변화해도 빨라지거나 느려지지 않고 일정한 속도가 유지된다. 따라서 우리의 체온이 변화해도 규칙적인 삶을 살 수 있고, 이는 환경에 따라 체온이 변하는 변온 동물에게도 적용된다.
이러한 생체시계의 성질은 1954년에 발견됐지만 그 원리는 밝혀지지 않아 지난 60여 년간 생체시계 분야의 가장 큰 미스테리로 남아 있었다.
김 교수는 수학 모델링을 통해 이 원리를 밝혀냈고 모델링 결과는 듀크-싱가폴 국립 의과대학 데이빗 벌쉽(David Virshup) 교수 연구팀의 실험을 통해 검증돼 60년의 난제가 풀렸다.
생체시계에는 Period2라는 핵심 단백질이 존재한다. 이 단백질은 12시간 동안 증가하고 나머지 12시간 동안 분해되는 리듬을 평생 반복한다.
김 교수는 이 Period2 분해가 두 가지 방법으로 발생하는 것을 밝혔다. 하나는 매우 빠른 속도로 분해가 일어나는 것이고 나머지 하나는 매우 느린 속도로 분해가 이뤄지는 것이다. 그리고 두 가지 방법의 비율을 조절하는 것이 Period2에 존재하는 인산화 스위치(Phosphoryltion switch)이다.
인산화 스위치의 역할은 온도가 올라갔을 때 느리게 분해되는 Period2의 양을 늘림으로써 전체적인 분해 속도가 천천히 이뤄지게 만든다. 반대로 온도가 내려갔을 때는 빠르게 분해되는 비율을 늘려 생체시계의 속도를 조절하는 것이다.
결국 생체시계 속도 유지의 핵심은 인산화 스위치이고, 다른 생화학 반응이 빨라져도 생체시계의 속도 유지를 가능하게 만드는 요소인 것이다.
이번 연구에서 밝혀진 인산화 스위치는 생체시계의 속도를 조절할 수 있는 핵심 요소가 될 전망이다. 이 인산화 스위치를 조절할 수 있는 약을 개발한다면 잦은 해외 출장으로 인한 시차, 주야 교대 근무 등에 의한 생체 시계 고장 예방 등에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
김 교수는 “이번 성과를 통해 우리나라에선 아직은 부족한 생물학과 수학의 교류가 활발해지길 기대한다”며 “수학이 생물학의 난제들을 해결하는데 기여할 수 있음을 알리고 싶다”고 말했다.
이번 연구는 듀크-국립 싱가폴 의과 대학 데이빗 벌쉽 (David Virshup) 교수 연구팀, 미국 미시간 대학 (University of Michigan, Ann Arbor) 데니 폴저 (Daniel Forger) 교수와의 공동연구로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림 1 . 이번 연구에서 밝혀진 인산화 스위치와 그 과정에서 사용된 수학 방정식의 일부
그림 2. Period2 단백질이 인산화 스위치에 의해 낮은 온도(30도) 에서 분해되는 속도가 더 빨라진다는 것을 보여주는 실험
2015.10.05
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이성주 교수, 컴퓨터통신학술대회(INFOCOM) 프로그램위원장 선임
이 성 주 교수
우리 대학 전산학부 이성주 교수가 미국전기전자공학회 컴퓨터통신학술대회(IEEE INFOCOM)의 프로그램위원장에 선임됐다.
지난 1982년 시작된 컴퓨터통신학술대회는 인터넷, 무선, 데이터센터 등 컴퓨터 통신에 관한 다양한 연구를 다루는 핵심 학술대회이다.
이 교수는 네트워크 통신 분야에 기여한 공로를 인정받아 한국인 최초로 위원장을 맡았다. 내년 열리는 34회 컴퓨터통신학술대회에서 관련분야 최고 전문가 650여 명의 프로그램위원을 선발하고, 대회에 제출될 1,600여 편의 논문 선정 심사를 주관한다.
이 교수는 무선 이동 네트워크 시스템 설계 분야의 대표적인 연구자이다. 미국전기전자공학회(IEEE)의 펠로우이며 작년에는 세계컴퓨터학회(ACM)의 이동컴퓨팅및네트워킹 학술대회 집행위원장을 역임했다.
또한 무선 통신 및 네트워크 분야 학술지인 IEEE TMC(Transactions on Mobile Computing)와 IEEE 사물인터넷 저널 등의 학술저널편집위원을 맡고 있다.
이 교수는 “이번 대회를 통해 학회 전통을 유지하면서 네트워크 통신의 다양한 분야의 새로운 연구를 반영하겠다”며 “기술 이전 가능성이 높은 논문 프로그램을 만들도록 노력하겠다”고 말했다.
제 34회 IEEE 컴퓨터통신학술대회는 내년 4월 미국 캘리포니아 샌프란시스코에서 개최 된다
2015.06.26
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유경식 교수,‘ IT 젊은 공학자상 ’수상
유 경 식 교수
우리 대학 전기 및 전자공학부 유경식 교수가 미국전기전자학회(IEEE)와 대한전자공학회(IEIE)가 공동 주관하고 해동과학문화재단이 후원하는 ‘IT 젊은 공학자상’ 수상자로 선정됐다.
시상식은 22일 오후 6시 30분 제주 라마다 호텔에서 개최된다.
IT 젊은 공학자상은 기술적 실용성, 사회 및 환경 공헌도, 창의성 등에서 우수한 성과를 낸 과학자에게 주어진다. 미국전기전자학회와 공동 상(Joint Award)을 설립한 국가로는 칠레, 에콰도르, 페루, 싱가포르, 이탈리아 등이 있다.
유 교수는 KAIST 교수로 재직하며 광전자 소자의 소형화와 집적화를 통한 정보통신, 에너지 및 영상 획득 분야에서 연구를 수행했다. 100여 편의 국제학술지와 학술대회 논문을 발표해 약 2,200회 이상 인용되는 등 관련 학문 및 기술발전에 기여한 공을 인정받았다.
유 교수는 “부족한 점이 많아 기쁘기보다는 부담스러운 마음이 더 크다”며 “UN이 지정한 ‘세계 빛의 해’의 취지에 맞게 광전자 관련 학문 및 기술 발전을 위해 힘쓰겠다”고 말했다.
2015.06.18
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신진우 교수, 美 컴퓨터 협회(ACM) 젊은 과학자상 수상
신 진 우 교수
우리 대학 전기 및 전자공학부 신진우 교수가 6월 미국 컴퓨터 협회(ACM) 시그매트릭스 소사이어티에서 수상하는 젊은 과학자상(Rising Star Award) 수상자로 선정됐다.
시그매트릭스는 컴퓨터 네트워크 및 이론 분야 소사이어티로 전 세계에서 매년 한 명의 젊은 과학자(박사 후 7년 이내)에게 시상한다. 신 교수는 역대 8번째 수상자로 선정됐으며 아시아권 학교에서는 최초 수상자이다.
신진우 교수는 네트워크(stochastic queueing networks)와 기계학습 분야의 이론적 분석에 대한 기여를 인정받았다.
신 교수는 “이번 수상을 계기로 국내 저변이 부족한 전산 및 네트워크 이론 분야의 저변 확대에 기여하고 싶다”고 말했다.
신 교수는 2010년 MIT 공대 전산분야 최우수 박사졸업 논문상, 응용 확률 연구 분야의 뛰어난 기여를 한 논문에 주어지는 INFORMS 응용 확률 협회 최우수 논문상을 2013년에 수상했다.
또한 미국 컴퓨터 협회(ACM) MOBIHOC 2013, SIGMETRICS 2009에서도 최우수 논문상을 수상했으며, 최근 기계학습(deep learning) 연구로 블룸버그 사이언티픽 리서치 어워드를 수상했다.
2015.06.17
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김양한 교수, 미국 음향학회 로싱 상 수상
김 양 한 교수
우리 대학 기계공학과 김양한 교수가 지난 1일 미국음향학회(ASA)에서 시상하는 교육대상인 로싱 상(Rossing prize)의 수상자로 선정됐다.
김 교수의 수상은 비 영어권 인물로는 최초로서 음향 관련 영어 교과서(Sound Propagation: An Impedance Approach) 저술, 지식 기부를 통한 음향학 입문 강의 제공 등의 공로를 인정받았다.
로싱 상은 음향 교육(Acoustics education)에 지대한 공헌을 한 교육자를 기리기 위해 2003년 음악음향학(Musical Acoustics)의 대가인 美 스탠포드 대 토마스 로싱(Thomas D. Rossing) 교수가 제정했다.
김 교수는 미국음향학회의 3명의 추천(석학회원 1명 이상)을 거치고 위원회의 심사와 투표를 통해 올해 수상자로 선정됐다. 오는 11월 미국 플로리다에서 개최되는 제 170회 미국음향학회에서 메달과 상금을 수상한 후 50여 분 간 수상 강연을 진행할 예정이다.
김 교수는 지속적인 강의를 통해 많은 국제적인 음향학자를 배출했고, 산학협동강좌, 음향학 교재 등 전문 서적을 저술했다. 또한 최근에는 유튜브와 무크(MOOC)에 음향학, 진동 공학을 제공해 음향학을 일반 대중에게 소개하는 활동을 하고 있다.
2015.06.02
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이덕주 교수, 美 헬리콥터 학회 부회장 선출
이 덕 주 교수
우리 대학 항공우주공학과 이덕주 교수가 국내 최초로 미국 헬리콥터 학회(American Helicopter Society, AHS) 부회장에 선출됐다.
이 교수는 올해 7월부터 2년간 부회장으로서 아시아, 호주, 러시아 지역을 담당한다.
미국 헬리콥터 학회는 1943년 창립한 이래 6800명의 회원이 등록된 동일 분야 최대 학회로, 전 세계 헬리콥터 기술 뿐 아니라 수직이착륙(VTOL) 비행기 기술 발전에 기여하고 있다.
이사회는 미국 헬리콥터 제조사로 유명한 시콜스키(Sikorsky Aircraft Corporation)社 회장을 비롯해 회전익분야의 전문가 30명으로 구성돼 있다.
이 교수는 1985년 미국 나사 에임스(NASA Ames) 연구센터 연구원으로 시작해 항공기 제트 엔진과 헬리콥터 공력음향학(Aero-Acoustics) 연구 분야의 세계적 석학으로 자리 잡았다.
또한 미 헬리콥터 학회지의 부 편집장과 제1회 아시아-호주 회전익기 포럼 및 전시 대회장과 한국형 군용헬기, 민수헬기 통합 테스크포스 팀장을 역임했다.
2015.05.12
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남택진 교수, 미국컴퓨터협회 CHI 학회 최우수 논문상 수상
남 택 진 교수
우리 대학 산업디자인학과 남택진 교수 연구팀 논문이 지난 4월 서울 코엑스에서 미국컴퓨터협회(ACM) 주최로 진행된 인간-컴퓨터 상호작용 학회(CHI, Conference on Human Factors in Computing Systems)에서 아시아 최초로 최우수 논문상을 수상했다.
ACM CHI는 인간-컴퓨터 상호작용(HCI, Human-Computer Interaction) 분야의 권위 있는 국제 학회로서 33년 역사상 처음으로 아시아에서 개최됐다. 매사추세스 공대, 카네기 멜론대, 동경대 등 세계 유수의 대학들과 구글, 페이스북, 삼성전자 등 글로벌 기업들이 최신 연구 성과를 발표했다.
연구팀의 논문인 ‘파티나 인각 시스템 : 액티비티 트래커 활동 기록의 물리적 시각화 시스템(Patina Engraver: Visualizing Activity Logs as Patina in Fashionable Trackers)’은 학회에 제출된 약 2000여 편의 논문 중 상위 1%로 선정돼 수상의 영예를 안았다.
남 교수 연구팀은 최근 웨어러블 기기가 건강관리 뿐 아니라 개인의 스타일을 표현하는 패션 아이템으로 활용된다는 점에 착안해 사용 할수록 미적인 측면이 부각되는 디지털 패션 제품 시스템을 개발했다.
개발된 액티비티 트래커(Activity Tracker : 활동량이나 건강상태를 기록하는 스마트 워치 혹은 웨어러블 기기)는 사용자의 활동 기록에 따라 개인화된 무늬가 문신처럼 새겨지는 시스템이다.
충전기 혹은 거치대에 인각기의 기능을 결합해 충전하는 동안 기기가 수집한 사용자의 걸음 수, 소모열량, 수면 양 등의 활동 정보에 맞는 무늬를 문신처럼 새기는 것이다. 현재는 단순한 무늬만 새길 수 있지만, 개발이 더 이뤄지면 사용자가 원하는 정교한 형태도 가능할 것으로 기대된다.
연구팀은 트래커를 착용할수록 개인화된 디자인을 제공하기 때문에 트래커 착용에 대한 동기를 부여하고, 제품을 더 소중히 여길 수 있도록 유도한다고 밝혔다.
남 교수는 “이번 연구가 향후 다른 웨어러블 기기의 감성적 만족도를 높일 수 있는 방안으로 적용될 수 있을 것이다”며, “디자인을 기반으로 한 KAIST의 융합 연구가 국내외 디자인과 인간-컴퓨터 상호작용 분야를 선도한다는 것을 보여준 사례다”고 말했다.
이번 연구는 남택진 교수의 지도 아래 제 1저자인 산업디자인학과 이문환 박사과정 학생과 차세진 석사 졸업생의 참여로 진행됐다.
□ 사진 설명
사진 1. 운동 기록에 따라 개인화된 액티비티 트래커의 모습
사진2. 파티나 인각 시스템 개요
사진 3. 파티나 인각 시스템
사진 4. 활동량 정보를 새기는 과정 (충전 혹은 거치대에 올려두면 수집된 활동량이 점묘로 새겨짐)
2015.05.11
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고효율의 단일광자원 소자 핵심기술 개발
조 용 훈 교수
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 양자정보기술에 기여할 수 있는 고효율의 단일광자원(양자광원) 의 방출 효율과 공정 수율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 자연과학분야 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences) 4월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
빛은 보통 파동의 성질을 갖는 동시에 입자의 성질도 가지고 있는데, 이 입자를 광자라고 한다. 단일광자원 혹은 양자광원은 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 소자이다. 반도체 양자점을 이용한 단일광자 방출 소자는 안정성 및 전기구동 가능성이 높아 상용화에 적합한 소자로 각광받고 있다.
하지만 빛의 파장은 양자점보다 수십~수백 배 정도 크기 때문에 상호 작용하기 어려워서 단일광자의 방출 효율이 매우 작다는 한계점이 있다. 따라서 고효율 단일광자원를 만들기 위해서는 양자점과 빛을 집속시키는 구조(광공진기)를 공간적으로 정확히 결합시키는 것이 필수적이다.
하지만 양자점은 불규칙하게 분포되어 있고 위치를 정확히 확인할 수 없어 우연성에 의존한 결합을 기대할 수밖에 없었다. 따라서 긴 공정시간에도 불구하고 소수의 단일광자소자를 제작하는 수준에 머물러 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 피라미드 모양의 나노 구조체를 활용했다. 반도체 나노피라미드 구조에서는 양자점이 피라미드의 꼭지점에 자발적으로 형성된다. 그리고 그 위에 금속 필름을 얇게 증착하면 빛 역시 뾰족한 금속 끝에 모이는 성질 때문에 양자점과 동일한 위치에 집속되는 것이다.
특히 금속에서는 빛이 본래 가진 파장보다 작게 뭉칠 수 있다. 즉, 빛이 가진 파장보다 더 소형화를 시킬 수 있기 때문에 양자점과의 크기 차이로 인한 문제를 극복할 수 있게 되는데, 이 방법으로 단일광자 방출 효율이 기존의 방식보다 20배 정도 증가되었다.
단일광자 방출소자는 양자광컴퓨터 및 양자암호기술 구현의 가장 기본적인 구성 요소이다. 이번 연구를 통해 기존의 까다로운 과정들 없이 단순한 방식으로 효율과 수율을 모두 높일 수 있으므로, 단일광자방출원 혹은 양자광원 관련 기술의 상용화 가능성이 높아질 것으로 기대된다.
조 교수는 “이 기술은 높은 공정 수율을 갖고 있기 때문에 상용 양자광원 소자 제작 한계를 해결하고, 양자정보통신 분야 구현에 중요 기술이 될 것”이라고 말했다.
조용훈 교수의 지도를 받아 공수현(1저자)·김제형(2저자) 박사가 수행한 이번 연구는 우리 대학 신종화·이용희 교수, 프랑스 CNRS의 레시당 박사, 미국 UC 버클리의 샹장 교수가 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. 단일 광자가 높은 효율로 방출되는 모습의 개념도
2015.04.23
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