-
피부형 센서 패치 하나로 사람 움직임을 측정하는 기술 개발
우리 대학 전산학부 조성호 교수 연구팀이 서울대 기계공학과 고승환 교수 연구팀과 협력 연구를 통해 딥러닝 기술을 센서와 결합, 최소한의 데이터로 인체 움직임을 정확하게 측정 가능한 유연한 `피부 형 센서'를 개발했다.
공동연구팀이 개발한 피부 형 센서에는 인체의 움직임에 의해 발생하는 복합적 신호를 피부에 부착한 최소한의 센서로 정밀하게 측정하고, 이를 딥러닝 기술로 분리, 분석하는 기술이 적용됐다.
이번 연구에는 김민(우리 대학), 김권규(서울대), 하인호(서울대) 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 5월 1일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : A deep-learned skin decoding the epicentral human motions).
사람의 움직임 측정 방법 중 가장 널리 쓰이는 방식인 모션 캡처 카메라를 사용하는 방식은 카메라가 설치된 공간에서만 움직임 측정이 가능해 장소적 제약을 받아왔다. 반면 웨어러블 장비를 사용할 경우 장소제약 없이 사용자의 상태 변화를 측정할 수 있어, 다양한 환경에서 사람의 상태를 전달할 수 있다.
다만 기존 웨어러블 기기들은 측정 부위에 직접 센서를 부착해 측정이 이뤄지기 때문에 측정 부위, 즉 관절이 늘어나면 더 많은 센서가 수십 개에서 많게는 수백 개까지 요구된다는 단점이 있다.
공동연구팀이 개발한 피부 형 센서는 `크랙' 에 기반한 고(高) 민감 센서로, 인체의 움직임이 발생하는 근원지에서 먼 위치에 부착해서 간접적으로도 인체의 움직임을 측정할 수 있다. `크랙' 이란 나노 입자에 균열이 생긴다는 뜻인데, 연구팀은 이 균열로 인해 발생하는 센서값을 변화시켜 미세한 손목 움직임 변화까지 측정할 수 있다고 설명했다.
연구팀은 또 딥러닝 모델을 사용, 센서의 시계열 신호를 분석해 손목에 부착된 단 하나의 센서 신호로 여러 가지 손가락 관절 움직임을 측정할 수 있게 했다. 사용자별 신호 차이를 교정하고, 데이터 수집을 최소화하기 위해서는 전이학습(Transfer Learning)을 통해 기존 학습된 지식을 전달했다. 이로써 적은 양의 데이터와 적은 학습 시간으로 모델을 학습하는 시스템을 완성하는 데 성공했다.
우리 대학 전산학부 조성호 교수는 "이번 연구는 딥러닝 기술을 활용해 실제 환경에서 더욱 효과적으로 사람의 실시간 정보를 획득하는 방법을 제시했다는 점에서 의미가 있다ˮ며 "이 측정 방법을 적용하면 웨어러블 증강현실 기술의 보편화 시대는 더욱 빨리 다가올 것ˮ 이라고 예상했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(선도 연구센터 지원사업 ERC)과 기초연구사업 (중견연구자)의 지원을 받아 수행됐다.
< 피부형 센서 패치로 손가락 움직임 측정 모습 >
2020.05.20
조회수 15471
-
초안정 광대역 광주파수 안정화 기술 개발
기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용한 고성능 주파수 안정화 기술을 개발했다.
이 기술을 이용하면 150테라헤르츠(THz)의 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 간격으로 분포한 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 동시에 1헤르츠(Hz) 수준으로 낮출 수 있다. 이를 통해 원자시계나 주파수 분광학에 활용할 수 있고, 광주파수를 기반으로 한 양자 센서의 성능도 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
권도현 박사과정이 1 저자로 참여하고 한국표준과학연구원 시간표준센터와 공동연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 27일 자에 게재됐다. (논문명: Generation of multiple ultrastable optical frequency combs from an all-fiber photonic platform)
레이저의 선폭과 광주파수의 안정도는 시간/주파수 표준, 양자광학, 분광학 등 기초과학 분야뿐 아니라 거리 측정, 형상 이미징 및 분산형 센서 등 다양한 공학 응용에서의 측정 분해능을 결정한다.
특히 작년 5월 기본단위의 재정의를 통해 7개의 국제 단위계(SI) 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도 및 광도)가 주파수를 기반으로 정의되기 때문에 광주파수의 안정도를 확보하는 것은 초정밀 측정 및 센서 분야에서 매우 중요한 이슈이다.
기존에는 다수의 광주파수를 안정화하기 위해 Q인자가 높은 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 후 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용했다. 하지만 이 방식은 장치의 크기가 클 뿐 아니라 주변 환경에 매우 민감한 수억 원 이상의 고가 장치이기 때문에 소수의 표준 연구소에서만 활용됐다.
연구팀은 부품의 신뢰성과 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 광학 기술을 이용한 광주파수 안정화 기술을 개발했다. 그 결과 A4 용지 절반보다 작은 면적의 소형 장치를 이용해 펄스 레이저에서 발생하는 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 1Hz 수준으로 낮출 수 있었다. 또한, 각각의 주파수 모드에서 1천조 분의 1(10-15) 수준의 주파수 안정도를 확보했다.
연구팀의 기술은 다양하게 활용 가능해, 특히 최근 대기 중 유해물질 모니터링 등의 분야에서 활용되고 있는 듀얼콤 분광학을 위한 고성능 광원으로 활용할 수 있다.
연구팀은 하나의 광섬유 링크에 두 펄스 레이저를 동시에 안정화하는 방식을 통해 150THz의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 1Hz 수준의 선폭으로 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 고분해능 듀얼콤 분광학 광원을 선보였다.
불변하는 원자의 특성을 이용해 고정확도 측정이 가능한 양자 센서의 경우도 광주파수 분광학 기반이기 때문에, 광주파수의 선폭과 안정도가 측정의 정확도와 신뢰도에 매우 중요하다.
김 교수는 “이번 연구 결과를 활용하면 소형, 경량, 저가의 장치로 1천조분의 1 수준의 광주파수 안정화가 가능해 다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.04.09
조회수 20401
-
광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서 개발
기계공학과 박인규 교수 연구팀이 신체 동작 및 자세 모니터링에 활용이 가능한 탄소 나노튜브–탄성 중합체 복합소재 광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서를 개발했다.
이번 기술을 통해 인체의 다양한 관절 굽힘 동작, 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정해, 운동 시 관절부 움직임 자세 교정 및 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
구지민 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 3월 4일 자 표지 논문에 게재됐다. (논문명: Wearable Strain Sensor Using Light Transmittance Change of Carbon Nanotube Embedded Elastomer with Microcrack)
최근 헬스케어에 대한 관심이 커짐에 따라 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되면서 인체에 적용하는 센서로서의 유연 소재를 기반으로 다양한 전기저항식, 정전용량 방식의 플랫폼을 이용한 인장 센서가 많이 개발되고 있다.
그러나 기존의 전기저항식 센서는 장시간 반복 신호 안정성, 선형성에 한계를 보이며, 정전용량식 센서의 경우 외부 전기장의 영향에 취약하고 센서 민감도가 낮다. 이러한 점을 보완하기 위해 광학 방식의 유연 인장 센서가 개발됐으나 여전히 민감도가 낮다는 한계점이 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용해 수 퍼센트에서 400%에 달하는 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했다.
연구팀이 개발한 센서는 외부 인장에 따라 탄성중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 틈이 형성돼 광 투과도를 크게 변화시켜 기존의 광학 방식 인장 센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 가진다. 또한, 1만 3천 회 이상의 인장 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 기기로 활용할 수 있는 큰 가능성을 보였다.
연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 측정해 이를 로봇 조종에 활용했으며, 3축 센서로 패키징 해 인체 자세 모니터링에 활용했다. 또한, 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했다.
박인규 교수는 “이번 연구에서는 기존의 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다”라며 “헬스케어, 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 널리 활용할 수 있는 우수한 성능의 웨어러블 센서를 실현했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구 과제(올인원 스마트 스킨을 위한 웨어러블 멀티센서 시스템 핵심기술 연구)와 선도연구센터지원 사업(초정밀 광 기계기술 연구센터)의 지원을 통해 수행됐다.
2020.04.02
조회수 22489
-
미세 입자 질량 측정용 파이펫 형태 공진기 개발
우리 대학 기계공학과 이정철 교수 연구팀과 서울대학교 기계항공공학부 고상근 교수 공동 연구팀이 일반 실험실에서 쉽고 간단하게 제작 가능한 액상 부유입자 정밀 질량 측정용 마이크로 파이펫 공진기를 개발했다.
위 기술은 유리 캐필러리를 열 인장하는 방법으로 간단하게 제작한 공진기를 이용해 캐필러리 내부 채널을 통과하는 액상 부유 입자의 질량을 정밀하게 계측할 수 있는 기술이다.
고주희 석사과정과 서울대학교 이동혁 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 센서 분야 대표 국제 학술지 ‘에이씨에스 센서스(ACS Sensors)’ 2019년 12월 27일 자 내부표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : Micropipette Resonator Enabling Targeted Aspiration and Mass Measurement of Single Particles and Cells, 단일 세포의 선택적 흡입 및 질량 측정을 위한 마이크로 파이펫 공진기)
모든 물체는 각각의 고유한 진동수를 가지고 진동하며 이 고유 진동수는 질량의 영향을 받는다. 마이크로 유체 채널 또한 마찬가지로 유체 채널을 공진 센서 플랫폼으로 제작해, 입자를 포함한 유체가 공진 센서 내부로 주입됐을 때 바뀌는 고유 진동수의 변화로 미세 입자의 질량을 측정하는 연구들이 지금까지 널리 진행돼왔다.
하지만 지금까지의 기술은 주로 고가의 복잡한 마이크로 및 나노 공정에 의존해왔고 측정 표본이 밀폐된 공간에 보관됨으로써 필요한 영양분들이 고갈될 수도 있다는 문제점이 있었다.
이번 연구에서는 열린 구조의 파이펫 공진기를 고안하고 제작해 배양 접시와 같이 실제 세포가 배양되는 환경에서 선택적으로 원하는 세포만을 흡입해 측정하는 시스템을 최초로 구현했다.
실험 시에 여러 입자(또는 세포) 중 특정 입자(세포)를 측정하기 위해 파이펫 공진기를 통과하는 유량을 제어했고, 도립현미경 위에서 실험을 진행했다. 선택된 특정 입자는 파이펫의 열린 입구에서부터 측정부로 이동하게 된다.
연구팀은 초당 수십만 번 떨리는 진동을 측정하기 위해 CD 및 DVD와 같은 광디스크 재생장치에 사용되는 광 픽업 장치(Optical PickUp, OPU)를 이용했다.
연구팀은 레이저 다이오드에서 렌즈를 통과해 조사된 빛이 공진기에서 반사된 후 광센서로 입사되는 신호를 분석해 공진기의 진동주파수를 정밀하게 측정할 수 있었다. 추가로 고유 진동수에서 공진기의 떨림 현상을 극대화하기 위해 전압이 걸리면 기계적인 변형이 발생하는 압전 소자가 사용됐다.
이정철 교수는 “기존의 복잡한 마이크로/나노공정을 이용해 웨이퍼로 제작하던 초미세 정밀 센서를 일반 실험실 환경에서 유리 모세관을 이용해 간단하게 제작해 대체할 수 있다는 가능성을 봤다”라며 “또한 해당 장치는 이미 바이오 연구자들에게 친숙한 파이펫 형태로서 별도의 학습 및 훈련 없이 널리 이용될 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구결과는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. ACS Sensors 저널 내부표지
그림2. 유리 파이펫 공진기계장치의 개요와 제작방법
그림3. 입자의 질량 측정을 위한 파이펫 공진기의 실험 장치 구성도
그림4. 질량 따른 공진주파수의 변화 및 측정된 질량 스펙트럼 결과
2020.02.07
조회수 15331
-
KAIST, CES 2020에서 첨단 기술기업 선보인다
우리 대학이 작년에 이어 2년 연속으로 내년 1월 7일(현지시각)부터 미국 라스베이거스 컨벤션센터에서 열리는 세계 최대 규모의 가전·IT 제품 전시회 ‘국제전자제품박람회(이하 CES: International Consumer Electronics Show) 2020’에 참가한다.
우리 대학은 작년 같은 행사에서 5개 창업기업 및 5개 첨단기술을 소개하는 독립 전시 부스인 ‘KAIST 관’을 성공적으로 운영해 전 세계의 관련 학계 및 산업계에 깊은 인상을 남긴 바 있다. 이번 CES 2020에서는 작년보다 더 큰 규모인 12개의 동문·교원·학생 창업기업이 함께 참가함으로써 우리 대학의 위상을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.
세계적 기업들이 매년 차세대 신기술과 각종 첨단 제품을 선보이는 CES에 국내 대학이 직접 참가하고, 별도의 독립 전시 부스인 KAIST관(컨벤션센터 내 스타트업 전시관 유레카 파크)까지 마련해 창업기업의 글로벌 마케팅 지원에 나서 관련 업계의 관심이 집중되고 있다. 성공적인 부스 운영을 위해 대전경제통상진흥원, 한국무역협회와도 협력을 추진하고 있다.
우리 대학은 신성철 총장을 비롯해 최경철 산학협력단장, 문재균 전기및전자공학부장 등 보직자와 교수·연구원 등 30여 명이 CES 2020에 참석해 혁신기술을 세계 무대에 선보일 예정이다.
총동문회(회장 차기철·(주)인바디 대표)에서도 창업을 갓 시작한 후배들의 도전정신을 높이기 위해 ‘CES 장학금’을 신설, 동문 선배 34명의 기부로 약 5억 원을 모금했다.
이 기부금을 통해 올해 8월 재학생과 졸업생, 동문 기업을 대상으로 개최한 ‘KAIST 창업어워드 2019’에서 수상한 창업자 10명과 학과별로 심사를 거쳐 추천받은 재학생 예비창업자 20명 등 총 30명을 선발해 CES 전시 기간 내내 세계 최고 수준의 기술을 직접 체험하고 관람할 수 있도록 힘을 보탤 예정이다.
이번 CES 2020에서 전시하게 될 내용은 ▲ 테그웨이의 유연 열전소자를 활용한 온도 실감 장치(ThermoReal)와 쿨링 게이밍 헤드셋 ▲ 리베스트의 웨어러블 유연 배터리 ▲ 제이마이크로의 전도성 투명전극 필름 및 투명 발열 필름 등 응용기술 ▲ 노타의 딥러닝 모델 압축기술 기반 온디바이스 AI 솔루션 ▲ 오비이랩의 휴대용 고해상도 뇌 영상 기기 ▲ 더웨이브톡의 박테리아 실시간 분석 기술 ▲ 타임코드아카이브의 대화형 AI-1 라디오 서비스 플랫폼 ▲ 쉘파스페이스의 식물 생장 주기에 맞춘 광원 솔루션 기술 ▲ 프로닉스의 피부 부착 마이크로LED 패치 및 유연 압전 음성 센서 ▲ 헬스리안의 실시간 심혈관 측정 기기 ▲ 레드윗의 블록체인 기반 모바일 연구기록 시스템 ▲ 학생들이 개발한 스마트 거울을 활용한 복합 헬스케어 기계 등을 KAIST 관을 통해 선보일 예정이다.
참가 기업 중 테그웨이, 리베스트, 더웨이브톡, 쉘파스페이스는 그 우수성을 인정받아 CES 2020 혁신상(Innovation Award)을 받기도 했다.
최경철 산학협력단장은 “CES 2020에서 우리 대학이 보유한 혁신기술을 가지고 있는 창업기업들의 우수성을 적극적으로 홍보함으로써 유수의 세계적 기업들과의 공동 연구개발·투자, 협력 및 글로벌 기술이전 계약을 끌어낼 수 있을 것으로 기대한다”라며, “우리 대학은 앞으로도 교육과 연구를 통해 얻은 혁신적인 기술을 창업으로 연결해 글로벌 가치를 창출하는 역할에 최선을 다하겠다”라고 말했다.
2019.12.18
조회수 16354
-
김신현 교수, 한국과학기술한림원 젊은과학자상 수상
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수가 ‘우수과학자 포상’ 통합시상식에서 40세 이하 우수과학기술인에게 수여되는 젊은과학자상을 받았다.
과학기술정보통신부는 한국연구재단, 한국과학기술한림원, 한국여성과학기술인지원센터와 함께 2018년 ‘우수과학자 포상’ 통합시상식을 14일 국립과천과학관에서 개최했다.
김신현 교수는 연성소재, 특히 콜로이드 광결정 기반의 미세입자를 대면적에 형성할 수 있는 소재 기술을 개발했다. 디스플레이, 센서, 위변조방지 소재, 심미성 색 소재로 활용 가능하고, 잔류약물 검출 등 다양한 응용이 가능한 캡슐형 센서 소재를 개발한 업적을 인정받아 수상자로 선정됐다.
젊은과학자상은 과학기술자의 사회적 위상 및 자긍심을 높이고 미래 국가과학기술의 중추적 역할을 담당할 주역을 육성하기 위해 국내 대학 및 국내 연구기관에 재직하는 만 40세 미만의 과학자로서 연구‧개발업적이 뛰어나며, 발전 잠재력이 우수한 자에게 주어진다.
과학기술정보통신부 최기영 장관은 “다양한 과학기술자에 대한 지속적 지원이 창의적 성과의 원동력이 된다.”라며, “미래의 일자리 창출과 국민 삶의 질 제고를 위해 대한민국 대표 연구자들에게 아낌없는 관심과 격려를 부탁드린다.”라고 격려와 당부의 말을 전했다.
2019.12.16
조회수 14031
-
박인규 교수, 헬스 모니터링용 고감도 유연 압력센서 개발
우리 대학 기계공학과 박인규 교수 연구팀에서 생체 신호 및 신체 압력 모니터링에 활용이 가능한 액체 금속 기반 웨어러블 유연 압력 센서를 개발했다.
이 기술을 통해 맥박, 혈압 등 다양한 중요 생체 신호를 연속적으로 모니터링하고 욕창과 같은 압력으로 인해 비롯한 여러 질병을 예방할 수 있는 시스템으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
김규영 박사과정이 1저자, 오용석 연구교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스트 헬스케어 머터리얼스(Advanced Healthcare Materials)’11월 21일자 표지논문에 게재됐다. (논문명: Highly Sensitive and Wearable Liquid Metal‐Based Pressure Sensor for Health Monitoring Applications: Integration of a 3D‐Printed Microbump Array with the Microchannel)
최근 헬스케어에 대한 관심이 커짐에 따라 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되고 있다. 기능성 소재를 기반으로 다양한 고감도의 유연 센서가 많이 개발되고 있지만, 기존 고체 소재 기반 센서는 웨어러블 디바이스로 활용되기에 신축성, 신호 반복성 및 안정성 측면에서 한계를 보인다.
이러한 점을 보완하기 위해 현재 액체 소재 기반 유연 센서가 다양하게 개발되고 있다. 액체 전극 중에서도 특히 갈린스탄(Galinstan)과 같은 액체 금속은 신축성에 제한이 없으며, 무독성, 높은 전기 전도도, 전기/기계적 안정성 등의 특징으로 신축성 소자 및 웨어러블 디바이스 요소로써 활용도가 매우 높다.
하지만 기존의 액체 금속 기반 유연 압력 센서는 안정적이지만 매우 감도가 낮아 맥박이나 신체 압력 모니터링과 같은 수 kPa 수준의 작은 범위의 압력 측정에 활용하기 어려웠다.
이번 연구에서는 다중물질 3D 프린팅 기술을 활용해 단단한 마이크로 범프 구조물을 액체 금속 채널에 배치하여 작은 압력에도 신호 변화가 크게 나타날 수 있는 구조를 개발했다. 이러한 구조를 통해 마이크로 범프가 없는 일반 액체 금속기반 압력 센서보다 6배 이상의 높은 감도를 얻고 고체 기반 유연 압력 센서 수준의 감도를 얻을 수 있었다.
또한, 개발된 유연 압력 센서는 1만 회 이상의 인장, 굽힘 등 다양한 물리 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 디바이스로써 활용될 수 있는 큰 가능성을 보였다.
연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 평상시와 운동 시의 맥박, 혈압을 측정하여 그 변화를 연속적으로 감지해 건강 상태를 모니터링할 수 있음을 확인했다.
센서가 부착된 양말과 무선 통신 시스템을 구축하여 누워있는 사람의 다양한 자세 변화 도중 나타나는 신체 압력 및 그 변화를 원격으로 모니터링할 수 있었다.
박인규 교수는 “개발한 고감도 및 고신뢰성 액체 금속기반 유연 압력 센서를 통해 다양한 생체 건강 정보를 연속적으로 수집할 수 있었다. 이를 이용하여 다양한 헬스 케어/헬스 모니터링 어플리케이션, 특히 욕창과 같이 압력으로 인해 나타나는 다양한 질병 관리 및 예방 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구 과제(올인원 스마트 스킨을 위한 웨어러블 멀티센서 시스템 핵심기술 연구)와 선도연구센터지원 사업 (초정밀 광 기계기술 연구센터)의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. Advanced Healthcare Materials 표지
그림2. 마이크로 범프가 집적된 액체 금속 기반 유연 압력 센서
그림3. 높은 감도와 안정적 성능의 유연 센서 및 신체 압력 측정 어플리케이션
2019.12.11
조회수 17535
-
윤동기 교수, 카이랄 물질 육안으로 검출 방법 개발
우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 나선 나노 구조체를 만드는 액정 물질을 이용해 광결정(photonic crystal) 필름을 제작하고, 이를 이용해 식품이나 약물 등에 함유된 카이랄 물질을 별다른 기기 없이 눈으로 검출하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 기존의 광 식각공정(photolithography)으로 제작이 어려웠던 나노미터 크기의 카이랄 광결정 제작에 성공했으며, 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 이바지할 것으로 기대된다.
박원기 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)’ 8월 16일 자 온라인판과 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 12월 4일 자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Directed self-assembly of a helical nanofilament liquid crystal phase for use as structural color reflectors/Direct visualization of optical activity in chiral substances using a helical nanofilament (B4) liquid crystal phase)
잘 정렬된 나선형 나노 구조체를 만드는 일은 산업적 및 학문적으로 수요가 높은 기술로 여겨져 디스플레이 산업 및 광학 분야에서 꾸준히 연구되고 있다.
바나나 모양의 굽은형 액정분자는 고온에서 서서히 냉각될 때 무작위로 배향된 나선형 구조체를 형성한다. 이들을 잘 정렬할 수 있다면 카이랄 광결정으로 이용할 수 있으나, LCD용 액정 재료와는 달리 굽은형 액정분자를 정렬할 방법이 존재하지 않았다.
복잡한 분자구조의 액정 재료를 활용하기 위해선 극한으로 분자들의 거동을 제어하고 균일한 배향을 유도하는 기술이 필요하지만, 관련 기술의 부재로 응용되지 못했다.
연구팀은 LCD의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자보다 분자구조가 더 복잡한 굽은 형태의 액정분자가 형성하는 200~300나노미터의 나선 주기를 갖는 나선형 나노 구조체를 대면적에서 배향하는 데 성공했다. 이를 통해 빛을 반사하는 광결정을 제작했다.
다음으로 연구팀은 이들 분자를 제어하고 응용하기 위해, 빛에 의해 분자의 모양 및 배향이 바뀌는 현상인 광이성질체화(photoisomerization)를 유도할 수 있는 광 반응성 굽은형 액정분자를 설계했다.
연구팀은 이 액정분자들이 마치 해바라기가 빛을 따라가듯이 빛에 나란히 배향한다는 점에 착안해, 이들이 형성하는 나선 나노 구조체도 빛의 방향에 따라 매우 균일하게 세워질 수 있도록 제작했다.
이렇게 방향이 제어된 나선 나노 구조체는 분자의 길이에 따라 다양한 색을 보여 푸른색에서 초록색의 빛을 선택적으로 반사하는 일종의 카이랄 색상 거울로 활용할 수 있었다.
이러한 거울을 이용하면 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는 일상생활 속의 다양한 화학물질, 한 예로 설탕을 이루는 과당과 포도당의 경우 별다른 도구 없이 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는다는 점을 관찰할 수 있었다.
윤동기 교수는 “의약품 및 관련 화학산업에서 물질의 카이랄성은 독성 및 부작용과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 60여 년 전에 임산부 입덧 방지용으로 쓰이던 탈리도마이드(thalidomide)라는 약은 카이랄성이 다를 경우 기형아를 유발할 수 있다는 점 때문에 금지된 바가 있는데, 이번 연구를 통해 카이랄성에 따라 부작용을 갖는 화학약품들을 제조단계에서부터 실시간으로 검출할 수 있게 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 전략과제, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 교육부의 글로벌연구네트워크 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈 표지
그림2. 배향된 액정필름을 이용하여 카이랄 시료를 검출하는 모식도
2019.12.05
조회수 14097
-
박영진 교수, 현대자동차그룹과 함께 능동형 노면 소음 저감기술(RANC) 개발
〈 박영진 교수 〉
우리 대학 기계공학과 박영진 교수 연구실(시스템동역학 및 응용제어 연구실)과 현대자동차그룹이 협업해 개발한 ‘능동형 노면 소음 저감기술(이하 RANC)’이 상용화된다.
현대차그룹은 지난 11일 도로에서 발생해 실내로 유입되는 노면 소음을 크게 줄여주는 ‘RANC’를 개발했다고 밝혔다. RANC 핵심 요소기술인 센서 위치 및 신호 선정 방법에 대해 한국과 미국에 특허 출원을 완료했다.
RANC는 주행 시 발생하는 노면 소음을 낮추는 기술이다. 시스템은 가속도 센서, DSP(Digital Signal Processor, 음향신호 분석을 위한 제어 컴퓨터), 마이크, 앰프, 오디오 등으로 구성된다. 시스템을 최대한 단순하게 하도록 오디오는 별도의 오디오 시스템이 아닌 차에 원래 내장된 오디오를 활용한다.
먼저 가속도 센서가 진동의 전달 경로에 위치해 노면 소음을 유발하는 진동을 취득한다. 여기서 진동 전달 경로를 정확히 파악하기 위한 가속도 센서의 위치가 굉장히 중요하다. 연구팀은 수많은 테스트를 통해 최적의 센서 위치를 찾을 수 있었다.
박영진 교수 연구실은 지난 1993년부터 4년간 G7 국가 과제로 현대자동차와 도로 소음을 능동적으로 줄이는 연구를 수년간 수행하고 이 결과를 국제 학술지에 게재했다. 이후 네이처(Nature)에서 2002년 ‘Noise quietens driving’이라는 제목의 기사의 뉴스로 게재해 실제 차량에서 최초로 도로 소음을 줄이는 연구가 성공했음을 알렸다. 하지만 당시 주변 기술들의 부재(차량용 디지털 앰프 및 DSP 등)와 가격 요인 등으로 인해 상용화에는 실패했다.
그 후 2013년부터 박 교수 연구팀은 1건의 기술이전과 8건의 산학과제가 포함된 관련 연구를 수행했으며, 이를 기반으로 현대자동차 NVH 리서치랩 (전문위원 이강덕 박사; 항공공학 박사, 1996년)은 옵토멕 (설립자 김경수 교수; 기계공학 박사, 1999년), ARE (김현석 대표; 기계공학 박사, 1998년), 위아컴, 번영 등과 협업해 순수 국내 기술로 RANC 시스템의 개발에 성공했다.
박영진 교수 연구실은 선행연구 단계에서는 이론 기반 연구 및 연구팀의 구성 등 주도적으로 연구를 이끌었으며, 현대자동차 주도로 진행된 상용화 단계에서는 미래 지향적인 연구와 자문역할을 수행했다.
현대자동차그룹은 세계 최초로 RANC 기술의 상용화를 위해 글로벌 차량 오디오 전문업체인 하만과 협업해 완성도를 높여 RANC를 제네시스 브랜드 첫 번째 스포츠유틸리티차량(SUV) ‘GV80’에 적용한다.
박영진 교수는 “부임 초기에 중점적으로 한 연구가 20년이 더 지나 상용화가 이루어지는 것을 볼 수 있어 엔지니어로서 행복하고 특히 연구실의 졸업생들과 함께 노력해 상용화에 기여할 수 있어서 감개가 무량하다”라고 말했다.
2019.12.02
조회수 15318
-
산업디자인학과 2019 학부 졸업전시회 개최
우리 대학 산업디자인학과(학과장 남택진) 학부과정 졸업전시회가 11월 18일 시작되어 29일까지 주말을 제외한 총 10일간 대전 본원 학술문화관 비전관에서 개최된다.
산업디자인학과 졸업 전시회는 졸업을 앞둔 학부과정 학생들이 대학 생활에서 쌓은 디자인ﾠ지식과 경험을 바탕으로 창작한 결과물을 소개하는 정기 행사다.
이번 전시는 새로운 기술이 범람하는 시대에 디자인의 가치를 재고(再考)하고 그것을 `디자인 결과물'로 실현하기 위해 “디자인 실현(Realizing the Design)”이라는 주제를 선정했다.
순수한ﾠ제품 디자인에서부터ﾠ여러 센서를 종합한 가상현실 작품에 이르기까지 총 12종의 작품이 이번 전시를 통해 소개된다.
□ 졸업전시회 참여 작품명 및 요약내용
1. Rolle(강우재): 막대기와 줄을 이용한 DIY 멀티 테이블: 누구나 쉽게 만들 수 있어요.
2. Tumbs-up(강채영): 카페 브랜드와 손님을 연결해주는 새로운 텀블러 시스템
3. Anymal(곽대현): “아이에게 대신 전달해드릴게요!”
4. Verifood(김혜령): 자취생을 위한 검증된 레시피와 전자레인지 모듈이 포함된 음식 배달 서비스
5. Lewis(마동혁): “충분히 듣고, 줄을 서서 기다린 다음, 말하세요” 기반 팀 미팅 모더레이터
6. Typecoder(박광은): 웹 플렛폼을 통해 만들어지고, 공유되고, 사용되는 프로그램 기반 폰트 포맷
7. Lumin(박현주): 운전자와 어린이의 시야를 가리지 않도록 도와주는 어린이용 우산
8. Blow-yancy(배수정): 중성 부력 트레이닝을 위한 다이빙 VR 장치
9. Disk-it(안치은): 취미 활동을 즐기는 사람을 위한 유형의 커스텀 온라인 음악 플레이리스트 인터페이스
10. Drink’O(윤덕진): 확장된 주류 경험을 위한 구독 기반 주류 공유 서비스
11. DeMist(이우진): 가리개 자동 서리 제거를 위한 전면 헬멧 부착물 12. Diplore(지연희): 유튜브 입문자를 위한 장비 공유 서비스
그동안 산업디자인학과 건물에서 진행했던 졸업전시회는 보다 많은 KAIST 구성원과 작품을 공유하기 위해 올해부터 비전관에서 개최된다.
지난 11월 15일는 본 전시에 앞선 개막식 행사가 진행되었으며 채수찬 대외부총장, 문수복 학술문화원장, 최성율 공과대학 부학장, 남택진 산업디자인학과장 등이 참석해 전시회에 참여한 학생들에게 응원과 축하의 메시지를 전달했다.
남택진 산업디자인 학과장은 "산업디자인학과 관계자뿐만 아니라 KAIST의 모든 구성원이 보다 가까운 곳에서 전시회를 관람할 수 있도록 비전관에서 개최하게 되었다ˮ며 "진학·취업 등 새로운 인생의 막을 시작하는 학생들에게 이번 전시회 준비가 좋은 추억과 경험으로 쌓이길 바란다”고 밝혔다.
〈졸업전시회 오프닝 행사 및 비전관에서 진행중인 졸업 전시회 현장 〉
한편, 이번 전시회에 참여한 졸업 예정자들의 작품은 12월 4일부터 8일까지 나흘간 서울 코엑스에서 열리는 서울디자인페스티벌에도 출품되어 대중에게 선보일 예정이다.
2019.11.22
조회수 13690
-
박현규 교수, 바이오센서&바이오일렉트로닉스 저널 부편집장 선임
〈 박현규 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 박현규 교수가 엘스비어(Elsevier) 출판사가 발간하는 국제 학술지 ‘바이오센서& 바이오일렉트로닉스’(Biosensors and Bioelectronics) 저널 부편집장(associate editor)으로 선임됐다.
해당 저널은 화학, 분석(Chemistry, Analytical) 분야 상위 2.5%의 정상급 SCI 저널로(IF 9.518, 2018년 기준), 박현규 교수는, 핵산공학, 바이오센서, 나노바이오공학 분야에서 탁월한 연구 업적을 인정받아 부편집장(associate editor)에 선임됐다.
박 교수의 임기는 올해 10월부터 2021년 12월까지로 1년에 200여 편의 투고 논문에 대한 초기평가, 평가위원 선정, 최종 논문 게재 승인 결정 등 논문 게재 과정의 핵심 임무를 수행하게 된다.
2019.09.30
조회수 8528
-
김병윤 창업원장, 3·1 문화상 수상자로 선정돼
우리대학 김병윤 창업원장(초빙교수)이 3·1문화재단(이사장 김기영)으로부터 제60회 3·1문화상 수상자로 선정됐다. 김병윤 창업원장은 광통신의 핵심 요소인 광섬유 분야에서 새로운 개념을 정립하는 기초연구로부터 광통신과 센서 등 실질적인 응용에 이르기까지 이 분야를 선도해 온 공로를 인정받아 학술상 자연과학부문 수상자로 선정됐다.
3·1문화상은 숭고한 3·1정신을 이어받아 조국의 문화 향상과 산업 발전을 권장하는 취지에서 당시 대한양회공업주식회사가 창설해 1960년 3월1일 제1회 시상식을 진행했다. 1966년 8월에는 재단법인 3·1문화재단 설립으로 이어져 운영되고 있는 공익 포상 제도다.
1971년 대한양회공업주식회사의 양도 후 이정림, 이정호 형제가 설립한 대한유화공업주식회사(현 대한유화주식회사)에 의하여 60년간 유지돼 오고 있다.
시상식은 오는 3월1일 오전 10시 서울 마포구 베스트웨스턴 프리미어 서울가든호텔 그랜드볼룸에서 열린다.
2019.01.31
조회수 6656