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오차율 10% 이내 정확도의 소재 설계 기술 개발
우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 소재 물성의 예측 오차율을 기존 기술보다 30% 이상 줄여 정확도를 한층 높인 소재 시뮬레이션 설계 기술을 개발했다.
이번 기술 개발을 통해 기존 40%에 달했던 소재 물성 예측 오차율을 10% 내로 줄임으로써 소재 개발에 걸리는 시간과 비용을 크게 절약할 수 있을 것으로 기대된다.
김민호 박사와 창원대 김원준 교수가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Societry)’ 1월 10일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : uMBD: A Materials-Ready Dispersion Correction that Uniformly Treats Metallic, Ionic, and van der Waals Bonding)
새로운 기능성 소재 개발의 중요성이 커지면서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 소재 물성을 정확히 예측해 새로운 소재를 설계하는 기술이 주목받고 있다.
소재 시뮬레이션 기술은 실제로 소재를 합성하고 평가하기 전에 가상 실험으로 다양한 소재 물성을 예측 및 설계하는 기술로, 주로 밀도범함수 이론(Density functional theory)이라는 양자 이론에 바탕을 두고 있다.
기존의 밀도범함수 이론은 소재 계면에서 반데르발스 힘을 정확하게 설명하지 못한다는 문제가 있었다. 반데르발스 힘은 전하의 일시적 쏠림으로 인해 분자가 순간적으로 극성을 띠면서 나타나는 당기는 힘을 뜻하는데, 이를 정확히 기술하지 못하기 때문에 소재 물성 예측 정확도가 떨어진다는 한계가 있다.
연구팀은 반데르발스 힘을 정확하고 효과적으로 기술할 수 있는 새로운 이론을 개발하고, 이를 밀도범함수 이론에 접목해 소재 시뮬레이션 기술의 정확도를 한층 높이는 데 성공했다.
연구팀은 100여 종의 다양한 소재를 테스트한 결과 40% 정도에 달했던 기존의 소재 물성 예측 오차율이 새 기술을 통해 10% 이내로 줄어듦을 확인했다.
특히 반데르발스 힘은 분자 소재부터 금속 및 반도체 소재에 이르기까지 거의 모든 재료 내에서 소재 물성을 결정하는 데 중요한 역할을 해, 연구팀의 새로운 이론은 다양한 차세대 기능성 소재 설계 연구에 적용 가능할 것으로 기대된다.
실제로 연구팀의 새 시뮬레이션 방법을 통해 리튬 이온 배터리 물질의 전압이나 2차원 소재의 박리 에너지를 예측하는 과정에서 높은 정확도를 보인 것으로 확인됐다.
김형준 교수는 “소재 개발 연구에 있어 경쟁력 강화를 위해서 기초 연구의 중요성이 점차 커지고 있다”라며 “새로 개발한 소재 시뮬레이션 기술을 배터리 소재, 에너지 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업과 선도연구센터 지원 사업 (SRC)의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 새롭게 개발한 이론 (uMBD)을 이용한 소재 시뮬레이션 기술과 기능성 소재 설계
2020.01.29
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소재 부품 장비 분야 글로벌 경쟁력 강화 토론회 개최
우리대학이 오는 14일 국회에서 `소재·부품·장비 분야 글로벌 경쟁력 강화 토론회'를 개최한다. 소재·부품·장비 분야의 핵심 원천기술 경쟁력 강화 방안을 논의하는 자리로 이종걸(더불어민주당) 의원과 노웅래 과학기술정보방송통신위원장(더불어민주당)이 공동으로 주최하고, KAIST가 주관한다.
소재·부품·장비는 우리나라 주력 산업의 뿌리이자 4차 산업혁명 시대의 기술 경쟁력 핵심요소이자 최고의 제품만이 시장에서 살아남는 독과점 구조로 운영되고 있다. 일본이 장기간에 걸쳐 관련 분야의 기술을 축적하는 동안 국내 기업들은 글로벌 가치사슬 확장의 여파 및 경영 효율화 관점에서 대다수의 전략 품목 재료를 해외 수입에 의존해왔다. 그러나 일본의 화이트리스트 제외 사태를 계기로 이를 근본적으로 해결할 수 있는 국가적 전략을 경제 안보 차원에서 마련해야 한다는 필요성이 대두되고 있다.
14일 열릴 토론회에서는 산업계, 학계, 정부 등 각 분야의 전문가들이 소재·부품·장비 분야의 기술 현황 및 문제점과 그에 따른 대응 방안을 논의하고 원천 핵심기술 경쟁력 확보를 위한 정책을 제안할 예정이다.
신성철 KAIST 총장은 `대한민국, 과학기술 기반 경제 강국 전략'을 주제로 기조 발표에 나선다. 한국이 4차 산업혁명 시대의 기술 패권 경쟁에서 살아남으려면 기술 기반의 경제 강국을 실현해야 한다는 점을 강조하고 특히, 소재·부품·장비 산업의 글로벌 경쟁력을 제고할 수 있는 전략을 중점적으로 제시할 예정이다.
소재 분과에서는 정연식 KAIST 신소재공학과 교수가 `혁신소재: 인류사의 게임 체인저'를 주제로 인류사에서 소재의 의미와 발전사를 설명한다. 이와 함께 대학의 소재 연구 사례 및 정부 출연연구기관의 소명을 언급하고 산·학·연 간의 상생 방안 등 소재 분야 R&D 정책 방향을 제언할 예정이다.
부품 분과에서는 장재형 GIST 전기전자컴퓨터공학부 교수가 `우리나라 부품산업 위기와 기회'를 주제로 소재·부품·장비 분야의 당면 과제를 역설한다. 또한, 부품사업 기술 경쟁력 확보 방안 및 과학기술특성화대학의 역할에 대해서 논할 예정이다.
장비 분과에서는 황철주 주성엔지니어링(주) 회장이 `4차 산업혁명 시대에서의 대한민국의 경쟁력'을 주제로 발표한다. 반도체·디스플레이 산업의 세계적인 경쟁력을 구축하기 위한 기업의 전략을 소개하고 국가 전략기술 보유 기업의 육성과 지원책을 제언할 예정이다.
분과별 발제자 외에도 최성율 KAIST 소재부품장비기술자문단 단장, 권기석 과학기술정보통신부 성장동력기획과 과장, 김명운 ㈜디엔에프 대표가 토론 패널로 참석한다. 소재·부품·장비 분야 기술력 확보 방안의 타당성을 비롯해 R&D 투자의 시의적정성, 정부 정책의 실효성 등 산업과 기술을 활성화 시킬 수 있는 전반적인 방안에 관하여 심도 있게 논의할 예정이다.
토론회 좌장을 맡은 박현욱 KAIST 연구부총장은 "이번 토론회를 통해 소재·부품·장비 분야 핵심원천기술 경쟁력을 확보할 수 있는 구체적인 전략을 마련하고 이를 성공적으로 실행하기 위한 산·학·연·관의 협력 방안을 찾아나갈 좋은 기회가 될 것으로 기대한다ˮ고 밝혔다.
2019.10.11
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정유성 교수, 인공지능을 통한 소재 역설계 기술 개발
〈 정유성 교수, 노주환 박사과정〉
우리 대학 EEWS대학원/생명화학공학과 정유성 교수 연구팀이 인공지능을 활용해 원하는 물성을 갖는 신소재를 역설계하는 기술을 개발했다.
연구팀은 알고리즘을 통해 수만 개의 물질을 학습시킨 뒤 인공지능을 통해 원하는 물성을 갖는 소재를 역설계하는 방식으로 4종의 신물질을 발견했다. 향후 신소재 개발에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
노주환 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 ‘셀 (Cell)’ 자매지 ‘매터(Matter)’ 10월 2일 자 온라인판에 출판됐다. (논문명 : Inverse Design of Solid State Materials via a Continuous Representation)
소재 연구의 궁극적인 목표는 원하는 물성을 갖는 신소재를 개발하는 것이다. 하지만 현재까지의 신소재 개발은 화학적 직관과 실험적 시행착오를 통한 방법 위주였기 때문에 개발 비용과 시간이 많이 들어 소재 개념화에서부터 상용화에 걸리는 시간이 평균 30년 정도 소요됐다.
기존의 소재 개발 과정은 소재를 시행착오를 통해 합성하고 난 후 물성을 측정해 만들어진 소재가 응용 목적에 맞는 소재인지를 평가하는 방식으로 개발됐다.
정 교수 연구팀은 인공지능 기술과 슈퍼컴퓨터 활용을 융합해 이러한 소재 개발을 기간을 크게 단축할 수 있는 새로운 소재 역설계 방법을 개발했다. 정 교수팀이 개발한 소재 역설계 방법은 기계(알고리즘)로 기존의 수만 개 물질과 그 물질들이 갖는 물성을 학습하게 한 후, 원하는 물성을 갖는 물질을 인공지능 기반 알고리즘이 역으로 생성하는 방식이다.
연구팀이 개발한 소재 역설계 방법은 기존의 컴퓨터 스크리닝을 통해 소재 설계를 가속화 하는 연구와도 차별성이 있다. 스크리닝 기반의 소재 발견 기술은 발견될 물질이 스크리닝 대상이 되는 물질 데이터베이스를 벗어날 수 없다는 한계를 가지고 있다. 따라서 데이터베이스에 존재하지 않는 새로운 형태의 소재를 발견하지 못한다는 단점이 있다.
연구팀이 개발한 신소재 역발견 모델은 인공지능 모델의 한 종류인 생성모델을 이용한 것으로, 생성모델은 이미지 및 음성 처리에 활발하게 활용되고 있는 기술이다. 예를 들어 수천 명의 얼굴들을 기계로 학습하게 해 새로운 사람의 얼굴을 생성해 내는 인공지능 기법이다.
연구팀은 이미지 생성에 주로 쓰이는 생성모델 기반의 인공지능 기법을 알려지지 않은 무기 고체 소재를 생성하는 데 최초로 적용했다. 특히 기존의 생성모델을 고체 소재에 적용하기 위해 역변환이 가능한 3차원 이미지 기반의 표현자를 도입함으로써 현재까지의 소재 역설계 모델의 한계를 극복했고, 이를 iMatGen(image-based Materials Generator) 이라 이름 지었다.
연구팀은 개발된 소재 역설계 기법을 새로운 바나듐 산화물 결정구조를 예측하는데 적용했다. 이 학습 과정에서 기존에 알려진 물질을 제외해 학습하더라도 제외된 물질들을 역으로 재발견할 수 있음을 확인해 개발 모델의 타당성을 검증했다.
최종적으로 개발된 모델을 통해 학습된 연속 잠재공간을 다양한 방법으로 샘플링하고 역변환 함으로써 기존에 존재하지 않는 전혀 새로운 바나듐 산화물 결정구조를 예측할 수 있었다.
정유성 교수는 “이번 연구는 원하는 물성을 갖는 무기 고체 소재를 역으로 설계하는 방법을 데이터 기반 기계학습으로 최초로 보인 예로, 향후 다양한 응용 분야의 신소재 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구 성과는 한국연구재단, 산업통상자원부 산하 에너지기술평가원, 그리고 KISTI의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 개발된 소재 역설계 모델
2019.10.07
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이진우 교수, 백금 활용도 16배 높인 단일 원자 촉매 개발
〈 박진규 박사과정, 이진우 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 전기화학적 물 분해(이하 수전해) 방식을 통해, 수소를 생산하는 과정에서 쓰이는 백금의 사용을 최소화하면서 뛰어난 성능을 보여 활용도를 16배 높일 수 있는 백금 기반 촉매를 개발했다.
연구팀은 백금의 활용도를 높이기 위해 백금을 단일원자 형태로 텅스텐 산화물 표면에 고분산 시켜 백금이 받는 지지체 효과를 극대화했고, 수소 생산 수전해 촉매에서 높은 성능을 구현했다.
박진규 박사과정과 이성규 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 세계적 화학지인‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 8월 22일 자에 게재됐다. (논문명 : Investigation of Support Effect in Atomically Dispersed Pt on WO3-x for High Utilization of Pt in Hydrogen Evolution Reaction, 수소 생산 반응에서 백금 활용도를 높이기 위해 백금 유사-단일 원자 촉매를 담지한 텅스텐 산화물 지지체 효과 조사)
백금 기반 촉매들은 성능과 안정성이 높아 다양한 전기화학 촉매 분야에서 활용됐지만, 가격이 높아 상용화에 어려움이 있었다.
단일 원자 촉매는 금속의 원자 하나가 지지체에 고분산된 형태의 촉매로, 모든 금속 단일 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금의 사용량을 현저히 낮출 수 있다. 하지만 대부분의 연구가 탄소 기반 지지체에 담지된 단일 원자 촉매를 적용하고 있어 백금 활용성에 한계가 있다.
연구팀은 이번에 백금과 강한 시너지 효과를 낼 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 단일 원자 촉매의 지지체로 사용했다. 이를 통해 백금 단일 원자를 텅스텐 산화물에 담지했을 때, 텅스텐 산화물에서 백금 단일 원자로 전하 이동이 일어나 백금의 전자구조가 변하는 것을 확인했다.
또한, 단일 원자 촉매가 갖는 ‘금속과 지지체간의 경계면 극대화’라는 독특한 특징을 활용해 백금 나노입자를 텅스텐 산화물에 담지한 촉매와 비교 실험을 진행했다.
연구팀은 실험을 통해 백금 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상인 수소 스필오버 (Hydrogen spillover)가 크게 발현됨을 확인했다. 이를 통해 기존 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 현저히 줄일 수 있었다.
해당 연구는 수전해 뿐만 아니라 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다.
이 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존 단일 원자 촉매 연구와 다른 관점에서 접근한 연구로 학술적으로 이바지하는 바가 크다”라며 “이번 연구를 통해 단일 원자 촉매 개발의 독보적인 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 유사 단일원자 촉매의 수소생산반응 모식도
2019.10.04
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정연식, 전덕영, 장민석 교수, 팝콘 구조의 퀀텀닷 나노복합 소재 개발
우리 대학 신소재공학과 정연식 교수, 전덕영 교수, 전기 및 전자공학부 장민석 교수 공동 연구팀이 팝콘처럼 내부에 공기주머니가 가득한 고분자 매질과 퀀텀닷이 융합된 새로운 발광 소재를 개발하는 데 성공했다.
연구팀은 이 기술을 활용해 퀀텀닷의 광 발광(Photoluminescence) 특성이 순수 퀀텀닷 필름과 비교해 최대 21배까지 증가하는 것을 확인했다.
김건영, 김신호, 최진영 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 미국 화학회가 발간하는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 9월 3일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Order-of-Magnitude, Broadband-Enhanced Light Emission from Quantum Dots Assembled in Multiscale Phase-Separated Block Copolymers)
수년 전 국내 대기업이 퀀텀닷 LED TV를 출시하고 차세대 퀀텀닷 올레드(OLED) TV 출시를 발표하면서 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 떠올랐다. 하지만 일반적으로 순수 퀀텀닷 필름은 광흡수도와 광추출도가 높지 못하고 인접한 퀀텀닷 간의 상호작용으로 광 효율이 매우 낮아지는 문제가 있었다.
문제 해결을 위해 공동 연구팀은 블록공중합 고분자를 습도가 제어된 환경에서 코팅해, 고분자와 물 입자 사이를 미세하게 분리했다.
이후 수분을 빠르게 증발시키면서 형성되는 미세한 공극 구조에 퀀텀닷이 고르게 배열된 소재를 개발하는 데 성공했다. 이는 마치 옥수수를 가열하면 내부의 수분이 수증기로 팽창해 빠져나가면서 속이 빈 팝콘 구조가 형성되는 원리와 유사하다.
연구팀은 이 다공성 고분자 매질을 활용하면 빛과 고분자 매질의 상호작용이 극대화돼 퀀텀닷 복합소재의 광흡수도와 광추출도가 각각 4~5배씩 증가하는 것을 발견했다.
또한, 블록 공중합 고분자는 수 나노미터(nm) 크기의 상분리 구조를 스스로 내부에 형성해 퀀텀닷 입자들을 고르게 분산시켜 줌으로써 퀀텀닷 간 상호작용에 의한 발광 강도 감소 현상도 크게 낮춰 준다.
연구팀은 이번 연구 결과를 청색 LED 발광 소재로 적용했을 때 순수 퀀텀닷 대비 7배 이상의 발광 강도 향상 및 45% 이상의 내구도 향상 효과가 있음을 확인해 차세대 마이크로 LED 디스플레이로 적용 가능성을 기대한다고 밝혔다. 이번 기술은 국내 특허로 등록됐으며, 미국 등 해외 특허 심사 중이다.
정연식 교수는“개발한 복합소재 매질은 가시광 전 파장 범위에서 발광 강도 증대 효과가 있어 퀀텀닷 이외에도 다양한 발광 소재에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”라며 "이 기술을 활용하면 값비싼 발광 소재를 적게 사용하고도 우수한 발광 특성을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 원가 경쟁력 향상에 기여할 수 있다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업(단장 최성율)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 블록공중합 고분자 및 퀀텀닷으로 이뤄진 나노 복합소재
그림2. 블록공중합 고분자 및 퀀텀닷으로 이뤄진 나노 복합소재 개념도
2019.09.30
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김범준 교수, 빛에 반응해 모양과 색 변하는 스마트 마이크로 입자 개발
〈 김범준 교수, 이준혁 박사, 구강희 박사 〉
우리 대학 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 빛에 의해 모양과 색을 바꿀 수 있는 스마트 마이크로 입자 제작기술을 개발했다.
아주 작은 입자의 모양이나 색을 원하는 대로 가공(fabrication)할 수 있게 되면 군용장비의 위장막(artificial camouflage), 병든 세포만 표적하는 약물전달캡슐, 투명도 및 색이 변하는 스마트 윈도우나 외부 인테리어 등에 활용할 수 있다.
마이크로 입자의 모양과 색 변화 연구는 주로 약물전달이나 암세포 진단과 같은 생물학적 응용을 위해 산도(pH), 온도, 특정 생체분자 같은 물리화학적 자극과 관련해 주로 이뤄졌다.
하지만 이런 자극들은 의도하는 국소부위에만 전달하기 어렵고 자극 스위치를 명확하게 켜고 끄기 어려운 것이 단점이었다.
반면 빛은 원하는 시간 동안 특정부위에만 쬐어줄 수 있고 파장과 세기를 정밀하게 조절, 선택적·순차적으로 입자 모양을 변형시킬 수 있어 해상도 높은 자극으로 주목받는다.
하지만 기존 빛에 감응하는 스마트 입자는 제작방법이 복잡하고, 편광방향으로의 길이 연장만 가능한 등 정밀한 모양변화가 어려워 활용에 한계가 있었다.
연구팀은 빛에 의해 분자구조가 변해 친수성 정도나 광학적 특성을 조절할 수 있는 계면활성제*를 개발하고 이들의 자가조립방식을 기반으로 빛에 반응해 모양과 색깔이 변하는 수 마이크로미터 크기의 스마트 입자를 대량으로 제작하는 데 성공했다.
빛을 쬐어준 시간과 파장에 따라 구형에서 타원체, 튤립, 렌즈형태 등으로 변화시킬 수 있는 한편 입자의 색도 조절할 수 있다.
또한 100μm 이하의 국소 부위에만 빛을 조사함으로써 원하는 위치에서 원하는 모양을 정교하게 유도할 수 있다.
특히 반응하는 빛의 파장이 서로 다른 계면활성제를 활용하면 입자 모양의 변화를 여러 단계로 조절하거나 원래의 모양으로 되돌리는 변화가 가능하다.
이러한 스마트 입자로 만들어진 박막이나 용액은 그 성질을 정밀하게 조절할 수 있어 정보를 담거나 신호를 넣을 수 있는 스마트 소재로도 활용할 수 있다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업, 글로벌프론티어사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 화학 분야 국제학술지 잭스(JACS, Journal of the American Chemical Society)에 9월 4일 게재되는 한편 표지 논문으로 선정됐다.
김범준 교수는 “빛을 이용해 모양과 색이 조절되는 스마트 입자 제작 플랫폼을 개발한 것으로 빛을 신호로 국소부위 입자의 성질을 정밀하게 조절할 수 있어 스마트 디스플레이, 센서, 도료, 약물전달 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 설명했다.
□ 그림 설명
그림1. 김범준 교수 연구성과 개념도
2019.09.09
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2019 KAIST 핵심 기술이전 설명회 개최
우리 대학은 오는 9월 17일 서울 코엑스에서 `2019 화이트리스트 배제 대응 기술을 중심으로 한 KAIST 핵심 기술이전 설명회'를 개최한다.
올해로 3회째를 맞는 KAIST 핵심 기술이전 설명회는 한일 무역 분쟁과 관련한 현 시국을 반영해 화이트리스트 배제 대상 품목들에 대응할 수 있는 첨단 소재부품장비 기술 4개를 특별히 선정했다.
또한, AI 및 소재부품 특허기술 5개를 공개해 KAIST 연구진이 보유한 우수 기술을 기업에 이전하고 일자리 창출과 기업의 경쟁력을 높이는 산학 협력 모델 구축에 일조할 예정이다.
KAIST 산학협력단 기술사업화센터(단장 최경철)는 대일 의존도가 높은 품목을 대체할 수 있는 ①저열팽창 불소화 투명폴리이미드(화학과 김상율 교수), ②비파괴 및 전자기적 성능 평가 시스템(항공우주공학과 이정률 교수), ③나노기술을 활용한 차세대 이차전지용 전극소재기술(신소재공학과 김도경 교수), ④고해상도 포토레지스트 기술(화학과 김진백 명예교수) 등 화이트리스트 배제에 대응하는 기술 4개를 선보인다.
특히, 이정률 교수의 비파괴 검사장비 기술은 외산 대비 50% 이상의 원가 절감이 가능하며 이 장비에 기반한 시스템을 도입할 경우 기존 기술로는 불가능했던 검사도 가능해진다.
김도경 교수의 차세대 이차전지 전극소재 기술은 전기자동차 등의 주행거리를 향상할 수 있으며, 상대적으로 원가 절감이 가능한 나트륨 이온 전지를 사용해 리튬 원자재 비용 상승에 대비할 수 있는 장점이 있다.
이밖에, KAIST가 엄선한 AI 및 소재부품 특허기술도 소개된다. ①네트워크와 단말기 리소스를 고려한 딥러닝 기반 콘텐츠 비디오 전송 기술(전기및전자공학과 한동수 교수) ②신경과학-인공지능 융합형 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술(바이오및뇌공학과 이상완 교수) ③친환경 상온 나노입자 제조기술 및 전자빔 조사를 이용한 무독성 자외선 차단제 제조기술(원자력및양자공학과 조성오 교수) ④나노섬유 얀 기반 유해가스 검출 및 질병 진단용 초고감도 색변화 센서 플랫폼 개발(신소재공학과 김일두 교수) ⑤에너지 밀도가 높은 실리콘-포켓 이차 전지 전극 및 전극 제조 기술(EEWS대학원 강정구 교수) 등 총 5개다.
김일두 교수의 나노섬유 기반 색변화 센서는 사람의 호흡만으로 간편하게 질병을 진단할 수 있는 기술이다. 생산성과 가공성도 높아 현재 성장 중인 질병 진단용 센서 시장에서 모바일 기기·웨어러블 센서 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대되고 있다.
또한, 한동수 교수의 비디오 전송 기술은 비디오 스트리밍의 화질을 크게 향상하고 제공자의 비용도 절감할 수 있어 OTT 및 VOD 서비스 시장의 지속 성장과 함께 주목받고 있다.
KAIST 기술사업화센터 관계자는 "직접 연구·개발해 특허를 보유한 교내 우수 기술을 대상으로 지난 6월부터 발굴 작업을 수행했다ˮ고 전했다. 이 관계자는 이어 "향후 다양한 분야에 적용할 수 있는 응용 가능성과 시장규모·기술혁신성 등을 주요 평가 지표로 삼아 핵심 특허기술을 선정했으며 8월 2일 이후 일본 화이트리스트 제외에 따른 대응 기술을 발굴해 추가로 선정했다.ˮ고 밝혔다.
이를 위해, 교수 및 변리사·벤처 투자자·사업화 전문가 등 20명 내외로 구성된 심사단이 평가를 진행했으며 선정된 기술은 비즈니스 모델 개발, 특허-R&D 연계 전략 분석 및 국내·외 마케팅 우선 추진 등 KAIST로부터 다양한 지원을 받게 된다.
17일 열리는 설명회에는 기술 개발 및 기술이전을 포함한 상호 협력 방안을 논의하기 위해 기업 관계자 및 투자자 등 200여 명을 초청할 예정이며 연구자인 KAIST 교수 9인도 직접 참석한다. AI 및 소재부품 핵심 기술 및 화이트리스트 대응 기술에 대한 자세한 설명과 함께 현장에서 기술 이전에 관한 상담 등도 진행된다. 또한, KAIST 연구부총장 등 내·외빈이 참석해 혁신성장 시대를 맞은 대학의 첨단 기술사업화 중요성을 강조할 계획이다.
최경철 산학협력단장은 "2017년부터 매년 개최하고 있는 KAIST 핵심 특허 기술 이전 설명회는 기업이 4차 산업 혁명에 대비할 수 있도록 KAIST의 기술을 적극적으로 이전하고 기업의 일자리 창출 및 글로벌화 등 발전을 모색할 수 있는 새로운 산학협력의 모델이 될 것”이라고 말했다.
또한, 최 단장은 "KAIST는 일본의 화이트리스트 제외와 관련하여 KAIST 소재부품장비 기술자문단(KAIST Advisors on Materials and Parts, KAMP) 지원과 함께 산학협력단 차원에서 배제 조치에 대응할 수 있는 관련 기술을 적극적으로 발굴하고 있다ˮ고 언급했다. 이어, 최 단장은 "KAIST의 기술로 어려움을 겪고 있는 기업들의 소재부품 국산화 및 국가적 위기 상황을 극복하는 일에 힘을 보태고자 한다ˮ고 강조했다.
※ 참가신청 사이트 바로가기: http://tech4.kaist.ac.kr/
2019.09.04
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원천기술 개발 돕는 ‘소재·부품·장비 기술자문단’ 설치
지난달에 이어 2일 일본이 우리나라를 수출심사 우대대상 국가인 화이트 국가에서 제외하는 2차 경제보복을 단행한 직후 국내기업들의 핵심소재·부품·장비 원천기술 개발을 돕기 위해 우리 대학이 발 벗고 나섰다.
지난 주말 신성철(Shin, Sung-Chul) 총장 등 주요 보직교수들이 참석한 비상 간부회의에서 반도체·에너지·자동차 등 주요산업 분야의 핵심소재·부품·장비업체들의 원천기술 개발지원을 위해 `KAIST 소재·부품·장비 기술자문단(KAMP: KAIST Advisors on Materials & Parts)'을 설치키로 확정하고 5일부터 본격적인 가동에 들어간다.
KAIST는 이어 `기술자문단'의 지속적인 운영을 위한 후속 조치로 재정적·제도적 정비도 곧 추진키로 하는 한편 향후 운영 성과 등을 보고 지원 범위와 대상 등을 확대하는 방안도 마련할 계획이다.
신성철 총장은 이에 앞서 토요일인 지난 3일 오후에 KAIST 전 교수들에게 보낸 이메일 서한을 통해 "과거 무력이 주도하던 시대에는 군인이 나라를 지키는 전사였지만 4차 산업혁명 기술패권 시대에는 과학기술인들이 나라를 지켜야 한다ˮ고 말했다.
신 총장은 또 "KAIST는 과학기술 분야 고급인재 양성과 연구개발을 위한 국가적인 사명을 가지고 출범해 지난 48년간 이러한 시대적 사명을 성공적으로 완수해 왔다ˮ고 역설했다.
신성철 총장은 이어 "한·일 무역전쟁으로 촉발된 현재의 국가적 위기상황에서 새로운 시대적 사명을 감당하기 위해 단기적으로는 소재·부품·장비 분야에서 국내 중견·중소기업들의 애로 기술개발을 자문하는 `119 기술구급대' 격인 기술자문단의 출범 사실을 알리고 중장기적으로는 KAIST가 해당 분야의 글로벌 경쟁력을 높이는데 국가 전위대 역할을 해야 한다ˮ고 강조했다.
KAIST가 5일 발표한 자료에 따르면 일본의 수출규제 영향권에 들어설 것으로 유력한 1,194개 품목 중 우선 159개 소재·부품 등 관리 품목과 연관된 중견·중소기업의 애로기술 개발지원과 자문을 위해 자문단장 1명과 기술분과장 5명, 명예교수와 현직교수 등 100여 명의 자문위원으로 구성된 `KAIST 소재·부품·장비 기술자문단'을 출범시켰다.
자문단장은 전사적 차원의 지원 및 대응을 위해 최성율(Choi, Sung-Yool) 現 공과대학 부학장이 맡았다. 이어 기술분과는 ◆첨단소재분과(팀장: 이혁모(Lee, Hyuck Mo)·신소재공학과장) ◆화학·생물분과(팀장: 이영민(Rhee, Young Min)·화학과장) ◆화공·장비분과(팀장: 이재우(Lee, Jae Woo)·생명화학공학과장) ◆전자·컴퓨터분과(팀장: 문재균(Moon, Jaekyun)·전기 및 전자공학부장) ◆기계·항공분과(팀장: 이두용(Lee, Doo Yong)·기계공학과장) 등 모두 5개 분과로 이뤄지는데 관련 분야 학과장인 교수가 팀장직을 수행한다.
이밖에 기술분과마다 해당 분야의 명예교수와 현직교수 등 前·現職 교수가 20여 명씩 참여해 모두 100여 명으로 구성된 자문위원을 중심으로 주력산업 공급망에 결정적인 영향을 미치는 159개 핵심품목과 관련한 중견·중소기업의 국산 원천기술 개발지원에 나설 방침이다.
신성철 총장은 "중견·중소기업 요청에 신속하고 정확한 대응을 위해 전담접수처를 운영하고 접수 즉시 각 분과 팀장이 자문위원 중 담당 교수를 지정해 관련 애로기술에 대한 진단 등 기업 현황 분석과 함께 지속적인 모니터링, 그리고 연구개발 계획 수립 및 참여를 통해 문제해결에 이르기까지 밀착 지원하는 원스톱 서비스 제공을 목표로 하고 있다ˮ고 설명했다.
신 총장은 또 "기술자문단은 KAIST 산학협력단 등 관련 조직과 유기적인 협력을 통해 전 주기적인 기술자문을 수행함으로써 반도체·친환경 자동차·에너지 저장장치 등 미래 먹거리 산업에서 우리나라가 핵심소재·부품·장비 분야의 명실상부한 기술독립국으로서 혁신성장을 가속화 할 수 있도록 기반을 닦는데 KAIST가 사회적 역할과 책임을 다할 것ˮ이라고 강조했다.
한편 KAIST로부터 기술자문을 희망하는 중견·중소기업은 기술자문 전담접수처인 042-350-6119로 직접 문의하거나 이메일( smbrnd@kaist.ac.kr )로 신청하면 된다.
2019.08.05
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강정구 교수, 금속유기골격체의 흡착 거동 실시간 분석 성공
〈 강정구 교수 〉
우리 대학 EEWS대학원 강정구 교수 연구팀이 금속유기골격체(MOF, metal organic framework)의 각 세부 기공에서 분자의 흡착 거동을 실시간 분석할 수 있는 기술을 개발했다.
조해성 박사가 주도한 이번 연구는 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 5월 13일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Isotherms of Individual Pores by Gas Adsorption Crystallography)
현재 직면한 에너지와 환경문제를 극복하기 위해서는 온실가스인 이산화탄소, 고용량 에너지 전달체인 메탄, 수소 분자 등을 고용량으로 저장할 수 있는 새로운 기공구조의 개발이 필수적이다.
이에 따라 기체 분자들의 흡착 거동을 실시간 분석해 새로운 소재를 개발하는 방식이 주목받고 있다. 그러나 기존 기술로는 소재 내에서 흡착된 기체 분자의 양만 파악할 수 있어 흡착 거동을 직접 관찰할 수 없었다. 또한, 소재를 구성하는 기공별 가스의 흡착 거동을 분석할 수 없다.
본 연구팀은 문제 해결을 위해 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합한 실시간 기체흡착 X-선 회절 시스템을 개발했다.
이 시스템은 넓은 비표면적을 갖고 있어 이산화탄소, 수소나 메탄 등의 저장에 매우 용이한 신규소재인 금속 유기골격체의 흡착과정을 실시간 관찰할 수 있다. 특히 단일기공구조가 아닌 여러 기공이 존재하는 금속 유기골격체의 흡착 거동에 대해 분석할 수 있었다.
연구팀은 금속 유기골격체 분자들의 흡착 거동을 기공별로 분리해 관찰 및 측정함으로써 기존에 분석할 수 없었던 분자들의 순차적 흡착과정을 확인했다. 나아가 기공의 구조 및 흡착 분자의 종류가 흡착 거동에 어떤 영향을 미치는지 체계적, 정량적으로 분석해 각각의 흡착에 어떤 구조의 금속 유기골격체가 저장 소재로 가장 적합한지에 대한 방안도 제시했다.
강 교수는 “각 기공 분자의 실시간 흡착 거동을 정량적으로 분석해 기공의 화학적 성질과 구조적 특성이 흡착 거동에 미치는 영향을 밝혔다”라며 “분자의 실시간 흡착 거동을 물질 전체가 아닌 물질을 구성하는 세부 기공 수준에서 이해함으로써 새 고용량 저장 물질을 세밀하게 개발하는 데 활용할 예정이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 다양한 구조의 세부 기공을 갖는 금속유기골격체에 흡착된 분자들의 도식화 그림
그림2. 세 가지 다른 세부기공을 갖는 금속유기골격체에서의 분자의 흡착 거동
2019.06.10
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제6회 연구실 안전의 날 개최
우리대학이 학생들의 안전 의식을 높이고 대학 내에 안전문화를 확산하기 위한 기념행사를 연다.
안전팀은 대학원총학생회와 공동으로 13일 오후 3시부터 대전 본원 학술문화관(E9) 2층 양승택 오디토리움에서 ‘제6회 연구실 안전의 날’ 행사를 개최한다.
‘연구실 안전의 날’은 지난 2003년 교내 풍동실험실 폭발 사고로 희생된 학생을 추모하고 사고 없는 안전한 대학 연구실을 만들어가자는 취지로 2014년 처음 열렸다.
올해로 6회째를 맞는 이번 행사에는 신성철 총장, 대학원생, 각 학과 안전관리 책임자 등 150여 명이 참석한다. 행사는 안전관리 우수학과 표창, 공모전 수상자 표창, 교내 춤 동아리 공연, 안전연극 공연 순으로 진행된다.
‘KAIST 연구실 안전관리 평가 기준’에 따라 교육, 점검, 위험성 평가, 위원회 운영 및 사고 발생 결과 등을 종합적으로 평가하는 안전관리 최우수학과에는 신소재공학과가, 우수학과에는 바이오및뇌공학과가 각각 선정됐다.
특히, 신소재공학과는 연구자의 안전교육 참여도가 높고 실험실 안전점검 결과에 대한 후속 조치 이행률(100%)이 매우 우수했다는 평가를 받았다.
또한, 연구실 안전문화 캠페인의 일환으로 4월 1일부터 30일까지 58편의 응모작을 접수한 안전 관련 창작물 공모전에서는 총 9개의 수상 작품이 선정됐다.
표어 및 포스터 부문에서는 ‘안전한지 실험말고 안전하게 실험하자(신소재공학과 전성현)’, ‘연구실 안전 황금룰(산업디자인학과 박근용)’이 각각 최우수상 수상작으로 결정됐으며, 그 외 4편이 우수상을 받는다.
‘연구실 안전 토크(Lab Safety Talk)’를 주제로 공모한 카드뉴스와 UCC 영상 부분에서는 최우수 수상작 없이 박지혜(원자력 및 양자공학과)·김창현(생명화학공학과) 학생팀과 박형준(정보전자 연구소) 학생, 카이누리(단체출품)가 각각 우수상을 받는다.
이와 함께 우리 대학 연구실에서 발생한 실제 사고를 배경으로 연출된 안전연극 ‘얼렁뚱땅’과 KAIST 춤 동아리‘루나틱’의 공연도 열린다.
신성철 총장은 이날 축사를 통해 “연구의 시작은 안전의식을 먼저 갖추는 것”이라며 “이번 행사가 연구실 안전문화를 확산시키는 계기가 될 것”이라고 강조할 방침이다.
한편, 지난달 1일부터 ‘제12회 연구실 안전문화 캠페인’도 진행 중인데 SNS 공유 이벤트, 실험 가운과 보안경을 무상으로 지급하는 개인 보호구 무상지급 이벤트, 개인 보호구 전시 및 착용 체험활동, ‘내가 겪은 연구실 사고 이야기’ 강연 등 다양한 프로그램을 운영했다.
우리 대학은 쾌적하고 안전한 연구실 구축을 위해 연구실 정밀안전진단 ․ 실험실 위험성 평가 ․ 분야별 안전교육 등 다양한 예방 안전프로그램을 매년 운영 중이다.작년 6월에는 10년 이상 경력의 현장 전문가들이 3년여에 걸쳐 집필한 연구실 안전 백과사전인 ‘안전 바인더(SAFETY Binder)’를 제작해 900여 개 교내 연구실을 대상으로 배포한 바 있다.
2019.05.13
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이진우 교수, 그래핀 기반의 자연 효소 모방물질 개발
〈 이진우 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 그래핀을 기반으로 해 과산화효소의 선택성과 활성을 모방한 나노단위 크기의 무기 소재(나노자임, Nanozyme)를 합성하는 데 성공했다.
연구팀은 이 무기 소재를 이용하면 알츠하이머병 조기 진단과 관련된 신경전달물질인 아세틸콜린을 자연 효소를 이용했을 때보다 더 민감하게 검출할 수 있음을 확인했다.
가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수, UNIST 에너지화학공학부 곽상규 교수팀과 공동으로 연구하고 김민수 박사가 1 저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 3월 25일자에 게재됐다. (논문명 : N and B Codoped Graphene: A Strong Candidate To Replace Natural Peroxidase in Sensitive and Selective Bioassays , 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀: 민감하고 선택성이 있는 바이오에세이에 사용되는 자연의 과산화효소를 대체할 수 있는 강력한 후보)
효소는 우리의 몸 속 다양한 화학 반응에 촉매로 참여하고 있다. 각각의 효소는 구조가 매우 복잡해 체내에서 특정 온도와 환경에서 원하는 특정 반응에만 촉매 역할을 할 수 있다.
특히 과산화효소는 과산화수소와 반응하면 푸른 색을 띠기 때문에 과산화수소를 시각적으로 검출할 수 있다. 이를 이용해 산화 과정에서 아세틸콜린을 포함한 과산화수소를 배출하는 다양한 물질을 시각적으로 검출할 수 있다는 장점이 있다.
대신 효소는 안정성, 생산성이 낮고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 단백질로 이뤄진 효소와 달리 무기물질로 합성된 효소 모방 물질은 기존 효소의 단점을 해소할 수 있어 효소의 역할인 질병의 검출 및 진단 시스템에 활용할 수 있다. 따라서 효소의 활성을 정확히 모방하는 나노물질의 필요성이 커지고 있다.
그러나 효소를 모방하는 나노물질은 활성을 모방하는 것이 가능하지만 원하지 않은 다른 부가적인 반응을 일으킬 수 있다는 단점이 있어 효소를 대체하는 데 어려움이 있다. 특히 기존의 과산화효소 활성이 높은 물질은 과산화수소가 없는 상황에서도 색이 변하기 때문에 검출 물질이 없어도 발색이 되는 단점이 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 과산화효소 활성만을 선택적으로 모방하는 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀을 합성했다. 이 그래핀의 경우 과산화수소 활성은 폭발적으로 증가하지만 다른 효소 활성은 거의 증가하지 않아 과산화효소를 정확하게 모방할 수 있다.
연구팀은 실험적 내용을 계산화학을 통해 증명했으며 새롭게 개발한 물질을 이용해 중요 신경전달 물질인 아세틸콜린을 시각적으로 검출하는 데 성공했다.
아세틸콜린은 알츠하이머병의 조기 진단과 관련이 높아 연구팀의 효소모방 물질을 이용하면 향후 질병 진단 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 교수는 “효소 모방 물질은 오래되지 않은 분야이지만 기존 효소를 대체할 수 있다는 잠재성 때문에 관심이 폭발적으로 커지고 있다”라며 “이번 연구를 통해 효소의 높은 활성 뿐 아니라 선택성까지 가질 수 있는 물질을 합성하고 알츠하이머의 진단 마커인 아세틸콜린을 효과적으로 시각적 검출할 수 있는 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 촉매의 과산화효소와 산화효소 활성을 시각적으로 확인할 수 있는 사진
그림2. 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀의 바이오 에세이 적용
2019.04.23
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이도창, 김신현 교수, 반도체 나노막대로 초박막 편광필름 개발
우리 대학 생명화학공학과 이도창, 김신현 교수 연구팀이 반도체 나노막대가 일렬로 배열된 수 나노미터 두께의 편광필름을 개발했다.
이 교수 연구팀은 나노막대입자의 상호작용력을 미세하게 조절해 나노막대들이 스스로 공기-용액 계면에서 일렬종대로 조립되게 설계했다. 이러한 자기조립기술은 전기장이나 패터닝된 기판 등 외부의 도움이 필요하지 않기 때문에 다양한 분야에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
김다흰 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 2월 19권 2호에 출판됐다. (논문명 : Depletion-mediated interfacial assembly of semiconductor nanorods).
반도체 나노막대는 막대의 긴 방향을 따라 편광 빛을 내는 독특한 광학 특성이 있어 디스플레이 분야에서 막대한 빛 손실을 가져왔던 기존 편광판을 대체할 수 있는 전도유망한 나노소재로 주목받고 있다.
단일 나노막대의 편광 특성을 소자 면적의 필름에서 구현하기 위해서는 구성하는 모든 나노막대가 한 방향으로 정렬된 뗏목 형태인 스멕틱(smectic) 자기조립 구조가 필요하다.
그러나 수십 나노미터의 길이와 수 나노미터 두께의 나노막대를 대면적에서 정렬하기 위해서는 전기장을 유도하는 전극 기판 혹은 한정된 공간에서 입자를 조립할 수 있는 패터닝된 기판을 필요로 해 실제 소자에 적용하기에는 한계가 있다.
이렇게 조립된 나노막대 필름은 두께가 불균일하고 두꺼워 균일한 초박막 층을 사용해야 하는 필름 소자에는 적합하지 않았다.
연구팀은 문제 해결을 위해 공기-용액 계면과 나노막대 간의 인력, 나노막대와 나노막대 간의 인력을 순차적으로 유도해 단일층 두께의 나노막대 스멕틱 필름을 제작했다.
연구팀의 고배향 필름 제작 기술은 기판으로 사용된 공기-용액 계면을 용액 증발과 함께 제거할 수 있고 조립 면적에 제한이 없어 소자 종류에 상관없이 적용할 수 있다.
연구팀은 길이 30나노미터, 지름 5나노미터의 나노막대들이 수십 마이크로 제곱 면적에 걸쳐 88%의 정렬도로 초박막 필름을 형성함을 확인했다.
나아가 계면과 나노막대, 나노막대와 나노막대 간 상호작용력을 정량적으로 계산 및 비교함으로써 나노막대가 계면에서 조립되는 원리를 밝혔고, 계면에서 얻을 수 있는 다양한 형태의 자기조립구조를 증명했다.
연구팀이 개발한 반도체 나노막대의 스멕틱 필름은 편광 발광층으로 디스플레이 분야에 활발히 적용돼 소자 두께의 최소화, 비용 절감, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
1 저자인 김다흰 연구원은 “입자의 상호작용력 조절을 통해 단일층 두께에서 나노막대 스스로가 방향성을 통제하며 고배열로 정렬할 수 있다는 것을 보였다. 이는 외부 힘 없이도 더욱 정교한 자기조립구조가 가능하다는 것을 보여주는 결과이다”라며 “고배열, 고배향을 갖는 다양한 나노입자의 초박막 필름 제작 및 필름 소자에 활발히 사용될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 나노․소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 공기-용액 계면에서 나노막대의 자기조립 과정을 보여주는 모식도
그림2. 나노막대 표면을 감싸고 있는 리간드 층 밀도에 따른 자기조립구조 모식도와 전자현미경 이미지
2019.03.20
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