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박현규 교수, DNA 통한 나노 꽃 구조체 제작 기술 개발
〈 박 현 규 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 가천대학교 김문일 교수와의 공동 연구를 통해 DNA를 이용해 상온에서 꽃 모양의 나노입자를 합성하는 기술을 개발했다.
이 기술은 아민과 아마이드 구조를 포함한 DNA와 구리 이온의 상호작용을 기반으로 개발됐으며, 이를 이용해 환경 친화적 조건에서 DNA를 고농도로 포집한 꽃 모양의 나노 구조체를 합성하는데 성공했다.
생명화학공학과 출신의 박기수 박사(현 건국대 교수)가 제1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 국제 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 B(Journal of Materials Chemistry B) 2017년 12호 표지논문으로 선정됐다.
나노 꽃(nanoflowers)이라 불리는 꽃 모양의 나노 물질은 표면이 거칠고 넓은 표면적으로 인해 촉매, 전자기술 및 분석 화학을 비롯해 여러 분야에서 주목받고 있다.
최근에는 단백질을 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 제작이 이뤄지고 있으며 이는 일반적인 효소에 비해 높은 활성, 안정성 및 내구성을 지닌다는 것이 증명되고 있다.
그러나 일반적인 단백질 나노 꽃 합성은 고온에서 열수 처리를 통해야만 가능했기 때문에 DNA를 효과적으로 포집하지 못한다는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 생체 고분자 물질인 핵산이 아마이드 결합 및 아민 그룹을 갖고 있다는 사실에 주목했다. 이를 통해 단백질 기반의 나노 꽃 제작 원리를 바탕으로 핵산을 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물 제작이 상온의 친환경적 조건에서 가능함을 증명했다.
연구팀은 다양한 염기서열의 DNA를 이용해 이 기술을 범용적으로 적용 가능함을 확인했다. 이번에 개발된 DNA 기반 나노 꽃 구조물은 기존 기술에 비해 여러 장점을 갖는다. 유해한 화학물질 없이 친환경 제작이 가능하고 낮은 세포독성을 갖는다.
또한 고효율의 DNA 포집이 가능하고 나노 꽃 내부에 포집된 DNA는 핵산 분해효소에 대해 높은 저항성을 보임을 증명했다.
특히 연구팀은 합성된 나노 꽃 입자의 넓은 표면적이 입자 내부 구리의 과산화효소 활성을 크게 향상시킴을 발견했고, 이를 과산화수소를 검출하는 센싱 분야에도 활용 가능할 것으로 예상하고 있다.
연구팀은 향후 다양한 핵산을 이용해 나노 꽃 입자를 합성하고 이를 유전자 치료 및 바이오센서 개발에 응용할 예정이다.
박 교수는 “이번 연구에서 개발된 DNA를 이용해 상온에서 합성된 나노 꽃 입자는 낮은 세포독성 특성을 띠면서 DNA를 핵산 절단효소로부터 효과적으로 보호하는 특성이 있다”며 “이를 통해 향후 유전자 치료용 전달체 등에 응용 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어 지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. journal of Materials Chemistry B 표지
그림2. 다양한 염기서열 및 길이를 가지는 DNA를 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물의 제작 결과를 나타내는 SEM 사진
그림3. DNA를 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물의 제작 과정을 나타내는 모식도
2017.04.14
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이동만 교수, 대한민국 인터넷대상 개인공로상 수상
〈 이 동 만 교수 〉
우리 대학 전산학부 이동만 교수가 미래창조과학부에서 주최해 열린 제 11회 대한민국 인터넷대상에서 개인공로상을 수상했다.
지난 13일 경기 창조경제혁신센터에서 열린 이번 시상식은 국내 인터넷 산업과 사회발전에 기여한 기업, 기관, 단체 및 공로자에게 주어지는 상이다.
이 교수는 2010년부터 사물 인터넷 플랫폼 연구를 지속적으로 수행했다. 5편의 관련 분야 SCI급 저널과 30편 이상의 우수 국제학회 논문, 10편 이상의 국내 논문 출판 및 11건 이상의 특허를 등록했다.
또한 교내의 IT융합센터(N1) 8층에 실제로 사용 가능한 사물 인터넷 테스트베드 환경을 구축해 실험 및 다양한 데이터를 수집이 가능하도록 해 세계적인 연구를 수행할 수 있는 기반을 구축했다.
이 교수는 한국 다자간 인터넷거버넌스 협의회(KIGA) 위원장 역임, 인터넷거버넌스 정책 연구, 아,태지역 인터넷거버넌스포럼(APrlGF) 개최 등 다양한 국내외 인터넷 거버넌스 활동을 통해 한국의 국제영향력 제고에 기여했다. 또한 사물인터넷 환경에서의 사용자 맞춤형 서비스를 위한 객체 연동 플랫폼 연구 등을 추진해 사물인터넷 생태계 기반 조성에도 기여하고 있다.
2016.12.19
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제5회 정문술과학저널리즘대상 시상식…대상에 KBS 장영실쇼
과학자가 참여하는 토크쇼 프로그램인 KBS ‘궁금한 일요일 장영실쇼’가 제5회 정문술과학저널리즘 대상을 수상했다. TV부문상과 신문부문상은 각각 전주MBC와 동아일보가 수상했다.
시상식은 오는 17일(토) 오후 KAIST 도곡캠퍼스에서 열린다.
올해 5회째를 맞이한 ‘정문술과학저널리즘대상’은 대한민국 과학저널리즘 발전에 기여한 언론인 또는 언론사에 수여하는 상이다. KAIST는 정문술 前 이사장의 기부금 중 10억 원을 활용해 2011년부터 이 상을 수여해 오고 있다.
올해 대상은 ‘로봇, 인간과의 공존을 꿈꾸다<궁금한 일요일 장영실 쇼>’(민승식, 허양재, 하동현, 이원식, 김희선, 이상혁, 한지원, 김유미, 김연정, 신혜진)를 기획한 KBS가 수상했다. KBS는 과학자가 참여하는 토크쇼 형태의 새로운 진행방식을 도입해 일반인들이 이해하기 어려운 과학기술 원리를 알기 쉽게 설명함으로써 과학지식 확산과 과학대중화에 기여한 점을 인정받았다. 특히 저녁 황금시간대에 방송을 편성해 과학 한국의 현재와 미래에 대해 국민적 관심을 이끌어 냈다는 평가다.
‘TV부문상’은 ‘육식의 반란 3 - 팝콘 치킨의 고백(유룡)’을 보도한 전주MBC가 수상했다. ‘팝콘 치킨의 고백’은 축산물의 공장식 사육환경과 유통 현실을 적나라하게 보여주면서 친환경 육류 생산의 필요성을 역설했다. 이와 함께 생산자와 소비자 모두를 위해 동물복지 관점에서 축산정책 방향이 나아가야 한다는 점을 균형감 있게 보도했다.
‘신문부문상’은 메르스 사태 당시 보건당국과 삼성서울병원의 방역 부실을 연속보도(유근형, 이샘물, 이진한)한 동아일보가 수상했다. 동아일보는 메르스의 발병원인을 규명함에 있어 삼성서울병원의 초기대응 미흡과 질병관리본부의 조직체계의 문제점을 사실과 분석적 관점에서 보도함으로써 국가질병 대응조직의 문제점을 개선하는데 단초를 마련했다는 평가를 받았다.
이번 대상 수상자에게는 2천만 원, 부문상 수상자에게는 각각 1백만 원의 상금이 수여된다.
시상식 이후에는 KAIST 과학저널리즘대학원에 재학 중인 학생들이 연구팀을 구성해 최근 1년 동안의 과학 이슈에 대한 보도 프레임을 발표하는‘제5회 과학저널리즘 리뷰 컨퍼런스’도 열린다. 끝.
2015.10.15
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정경원 교수, DMI 디자인가치상 수상
정 경 원 교수
우리 대학 산업디자인학과 정경원 명예교수가 지난 달 28일 미국 보스턴 로얄 세레나 호텔에서 열린 디자인가치상 시상식에서 일등상을 수상했다.
디자인경영연구소(DMI : Design Management Institute)는 창립 40주년을 맞아 디자인 및 디자인경영 분야에서 개인과 단체의 업적을 기려 특별한 가치를 세계에 전파하는 것을 목표로 이 상을 제정했다.
디자인경영연구소가 추구하는 디자인으로 만드는 가치란 심미적 효과를 넘어 문화적, 사회적, 경제적 효과를 높이는 것을 말한다.
영국, 미국, 독일의 디자인경영 전문가 4인으로 구성된 심사위원단은 국제 공모를 통해 일등상 네 점 등 총 열한 점의 수상작을 선정했다.
심사위원단은 정 교수가 지난 30여 년 간 KAIST 산업디자인학과를 세계 30대 교육기관으로 성장시킨 점과 국제적으로 디자인의 가치를 높이고 널리 알린 공로를 인정해 일등상을 수여한다고 밝혔다.
디자인경영연구소 이사회는 정 교수를 종신 명예 펠로우로 추대했다.
정 교수는 “디자인경영분야의 아카데미와 같은 큰 상을 받아 매우 기쁘다”며 “세계적으로 디자인한국의 위상을 높이는 계기가 되길 바란다”고 말했다.
정경원 교수는 우리 대학 교수로 재직하며 한국디자인진흥원장, 서울특별시 디자인부시장, 삼성전자 글로벌 디자인고문, 현대카드 사외이사, 세계산업디자인협의회 집행위원 등을 역임했다.
디자인경영저널과 디자인경영리뷰의 14편의 우수논문을 게재했고 하버드경영대학원 출판부에서 디자인경영 사례연구보고서를 펴내는 등 국내외 디자인경영의 이론과 실재 발전에 기여했다.
정 교수 외에도 ‘미 연방 정부의 점심 급식 프로그램’, ‘가나를 위한 공공 건강 증진 계획’, ‘존 제이 범죄 정의 대학의 브랜드 전략 및 디자인’ 등이 일등상을 수상했다.
2015.10.05
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송준화 교수, 미국컴퓨터협회(ACM) SenSys 학회운영위원장 선임
송 준 화 교수
우리 대학 전산학부 송준화 교수가 미국컴퓨터협회(ACM) 센시스(SenSys : Conference on Embedded Networked Sensor Systems)의 학회운영위원장에 선임됐다.
지난 2003년 시작된 센시스(SenSys)는 무선 센서 네트워크와 관련된 다양한 시스템 연구를 다루는 학술대회로 아시아 개최는 이번이 처음이다.
최근에는 센서 네크워크 시스템 뿐 아니라 새로운 어플리케이션, 모바일 센싱, 사물인터넷, 스마트 기기 시스템, 보안 등으로 범위를 넓혔다. 센시스는 지속적 혁신을 위한 노력 및 센서 기술의 시대적 중요성 등으로 인해 국제적인 학회로 발전했다.
송 교수는 모바일 및 유비쿼터스 컴퓨팅 시스템 분야의 대표적 연구자로 관련 분야에 기여한 학술적 공로와 운영과 기획 능력을 인정받아 한국인 최초로 운영위원장을 맡았다. 송 교수는 올해 운영위원 20여 명을 선발하고 대회 운영 전반을 주관한다.
송 교수는 “이번 선임을 통해 점점 확대되는 무선 센서 네트워크 시스템의 중요성을 시대 요구에 맞게 반영하도록 하겠다”고 말했다.
송 교수는 미국컴퓨터협회(ACM) MobiSys, SenSys 등 모바일 및 유비쿼터스 분야 학술대회에서 한국 대학 교수 최초로 논문을 발표했고 2014년 유비쿼터스컴퓨팅 학술대회(UbiComp) 학술위원장을 역임했다. 현재는 미국 전기전자통신학회(IEEE) TMC 저널 편집위원을 맡고 있다.
이번 대회는 올해 11월 1일부터 4일까지 서울 프라자호텔에서 개최되며 웹페이지(Http://sensys.acm.org/2015/)를 통해 등록 가능하다.
2015.10.01
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와이파이 존처럼 무선충전 가능한 기술 개발
임 춘 택 교수
우리 대학 원자력 및 양자공학과 임춘택 교수(52) 연구팀이 와이파이 존과 같이 특정 장소에서 무선 충전이 가능한 기술을 개발했다.
이 기술은 50cm 이내에서는 기기의 위치와 방향에 상관없이 충전이 가능하고, 인체에 무해한 낮은 자기장에서도 동작한다.
이번 연구 성과는 국제전기전자공학회 전력전자 저널(IEEE Trans. on Power Electronics)에 지난 6월 게재됐다.
기존의 무선충전 방식은 송신기에 스마트폰을 고정시키는 접촉식 충전방식으로 충전 중에는 자유로운 사용이 어려웠다. 비접촉식 충전 방식이 연구 중이지만 10cm 이상의 거리에서는 충전이 어렵고, 특정 방향에서만 충전이 되는 한계가 있었다.
임 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 작년 5월 자체 개발한 다이폴코일 공진방식(DCRS, Dipole Coil Resonance System)을 응용했다. 기존의 평행한 일자 구조였던 송신코일과 수신코일을 십자형으로 배치해 회전자기장을 발생시켜 어떤 방향에서도 전력을 송, 수신할 수 있게 만들었다.
이를 통해 부피를 거의 차지하지 않는 송, 수신 코일을 구현했고, 일정 공간 내에서 3차원 위치와 3축 방향에 상관없이 6-자유도(Six degree of freedom)를 갖는 무선충전 기술 개발에 성공했다.
이번 기술은 1제곱미터의 평면형 송신기 위 50cm 내 거리에서 임의로 놓인 스마트폰에 1와트(W)씩 30대, 노트북에 2.4와트씩 5대에 무선전력을 공급할 수 있는 기술이며, 최대 전력전달 효율은 34%이다.
또한 연구팀이 독자 개발한 자기장 차폐기술을 적용해 자기장 수치를 국제 자기장 안전기준(ICNIRP guideline : 27µT) 이하로 낮춰 인체와 주변 전자장비에 무해하다.
임 교수는 “기존 무선충전의 고질적 문제였던 충전 거리와 방향의존성을 상당부분 해결했다”며 “충전에 대한 걱정 없이 스마트폰이나 노트북을 무제한으로 사용할 수 있다”고 말했다.
연구팀은 기술을 우리 대학 입주기업인 ㈜테슬라스(대표 한승훈)에 이전해 카페와 사무실에 적용 가능한 제품을 개발 중이다.
□ 사진 설명
사진 1. 30W급 광역 무지향성 무선충전 송신 장치
사진 2. 십자형 송신코일로부터 발생하는 회전자기장
사진 3. 개발된 십자형 다이폴 코일 구조와 회전자기장
2015.07.07
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정문술 과학저널리즘대상 시상식
인터넷에 떠도는 ‘세월호’소문들이 과학적 근거가 없음을 보도한 한겨레신문이 ‘제4회 정문술 과학저널리즘상’ 대상을 수상했다. 방송부문상과 인터넷부문상은 각각 JTBC와 오마이뉴스가 수상했다.
시상식은 지난 11일 오전 서울 도곡캠퍼스에서 열렸다.
올해 4회째를 맞이한 ‘정문술 과학저널리즘대상’은 과학저널리즘 발전에 기여한 언론인․언론사에 수여하는 상이다. KAIST는 정문술 前 KAIST 이사장의 기부금 중 10억 원을 활용해 2011년부터 이 상을 수여해 오고 있다.
대상은 ‘잠수함 충돌? 손가락 골절시신 발견? 세월호 6가지 루머와 팩트 확인(송호균, 박기용, 최우리, 서영지, 이재욱)’을 보도한 한겨레신문이 수상했다. 한겨레신문은 대형사고 후 인터넷 등에서 떠도는 소문들이 과학적 증거가 없다는 것을 증명해 과학정신에 투철하고 기본을 지킨 보도였다는 점을 인정받았다.
방송부문상은 ‘증축으로 무게 늘어난 세월호…복원력 문제로 두 차례 검사(손용석)’를 보도한 JTBC가 수상했다. JTBC는 세월호 사고 원인이 증축에 의한 복원력 감소라는 점을 처음 보도했다.
인터넷부문상은 ‘[특집] 4월 16일 세월호, 죽은 자의 기록 산 자의 증언(이병한, 김도균, 고정미, 안홍기, 최용민, 봉주영, 김동환, 박소희, 김지혜)’을 보도한 오마이뉴스가 수상했다. 오마이뉴스는 웹과 모바일을 이용한 뉴스 제작으로 독자들이 서로 소통하면서 읽을 수 있는 방법을 처음 시도했다는 점을 인정받았다.
이번 대상 수상자에게는 2천만 원, 부문상 수상자에게는 각각 1백만 원의 상금이 수여됐다.
시상식 이후에는‘세월호 보도’를 주제로 제4회 과학저널리즘 리뷰 컨퍼런스(Science Journalism Review Conference)도 함께 열렸다.
[사진설명] 11일 KAIST 도곡캠퍼스에서 열린 ‘제4회 정문술 과학저널리즘대상 시상식’에서 수상자들이 기념촬영을 하고 있다. 끝.
2014.10.12
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김민혁 교수, 트랜잭션 온 그래픽스 부편집장 선임
우리 학교 전산학과 김민혁 교수가 미국 컴퓨터학회(ACM, Association for Computing Machinery)에서 발간하는 트랜잭션 온 그래픽스 저널(Transactions on Graphics, TOG)의 부편집장(Associate Editor)으로 선임됐다.
1947년에 설립된 ACM은 미국 전기전자공학회(IEEE)와 더불어 세계 전기전자컴퓨터 분야를 대표하는 학회이며 ACM TOG는 32년 역사의 세계 최고 권위의 컴퓨터 그래픽스 분야 학술지로서 한국인이 ACM TOG의 부편집장으로 선임된 경우는 이례적이다.
김 교수는 이번에 부편집장으로 선임되 ACM TOG 저널에 투고된 논문들에 대한 심사자(reviewers) 선정 및 게재 여부를 결정하는 업무를 수행하게 되며, 이렇게 선정된 ACM TOG의 모든 저널들은 세계 최대의 그래픽스 학회인 ACM SIGGRAPH 학회를 통해 발표된다.
김 교수는 컴퓨터과학 분야에서 컴퓨터 그래픽스에 관한 연구를 수행하여 왔으며, 특히 3차원 컬러 영상처리 및 시스템 개발에 관한 연구 분야에서 우수한 연구 성과를 보여주고 있다.
김 교수는 "세계 컴퓨터과학의 발전에 더 크게 기여할 기회로 삼고자 한다"고 포부를 밝혔다.
2014.07.08
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박용근 교수, 세계적 논문 쓴 학부생 연이어 배출
우리 학교 물리학과 박용근 교수의 지도를 받은 학부생들이 세계적 저널에 잇따라 논문을 게재해 화제다.
이번 주인공은 물리학과 4학년 조영주 학생. 조 씨는 ‘단일 박테리아 광 산란 분석기술’에 대한 논문을 발표해 세계적 과학저널 네이처(Nature)가 발행하는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 에 게재됐다.
의료 및 식품위생 분야에서 매우 중요한 박테리아를 기존의 생화학적 방법으로 분석하려면 며칠이 걸린다. 그러나 조 씨가 이번에 개발한 빛을 이용한 방식으로 관찰하면 단 몇 초 안에 박테리아의 종류를 분석할 수 있다.
조영주 씨는 군복무 후 해외대학 진학을 계획 중인 것으로 알려졌다.
박 교수 제자들의 활약은 이번이 처음은 아니다. 2012년과 2013년 화학과 조상연씨가 주도한 논문이 셀(Cell)과 네이처(Nature) 자매지에 잇따라 게재됐다. 지난 3월 한국광학회 우수논문상을 받은 생명과학과 이서은(21, 2월 졸업) 씨도 박 교수의 지도를 받았다.
조상연 씨는 대학원생도 내기 어려운 저널에 두 번이나 논문을 실을 만큼 우수한 연구 성과를 인정받아 세계 최고 명문대학인 하버드-MIT 연합 의공학대학원, 하버드, 스탠포드, 캘리포니아대 버클리캠퍼스, 캘리포니아 공대에 동시에 전액장학생으로 합격해 화제가 되기도 했다. 조 씨는 오는 9월 하버드-MIT 연합 의공학대학원에 진학할 예정이다.
또 이서은 씨는 올해 콜럼비아 의대 생명과학 박사과정으로 진학예정이다. 학부 졸업생이 석사과정 없이 해외 명문대학으로 박사과정으로 진학하는 것은 매우 이례적이다.
이밖에 박 교수의 지도를 받은 학부생들은 옵틱스 익스프레스(Optics Express), 생의학 광학 저널(Journal of Biomedical Optics)에 연구 논문을 게재해 스탠포드 등 해외 명문대학에 진학했다.
박용근 교수는 “노벨상 수상 등 역사 속 유명한 과학자들은 20대 초반에 아무도 수행하지 않은 세계적인 성과를 거뒀다”며 “다양한 과목을 동시다발적으로 배우는 학부생 때가 창의적인 발상이 가장 많은 시기”라고 학부생 연구의 중요성에 대해서 언급했다.
이어 “KAIST는 국내 최고 연구중심대학에 걸맞게 학부생 연구 참여 프로그램이 활성화 되어있어 학부생의 실질적 실험 및 연구가 가능해 좋은 연구결과들을 많이 거둘 수 있었다”고 말했다.
조상연 씨는 “박용근 교수님은 학부생들을 대학원생과 차별하지 않고 주도적 연구기회를 주고 열정적으로 지도해 주셨다”며 “미국 대학 면접 시 세계적인 저널에 두 편이나 연구논문을 게재한 것에 대해 면접관으로 참여했던 교수들도 많이 놀라워했다”고 전했다.
바이오광학분야에서 세계적 학자인 박용근 교수는 서울대 기계항공공학부를 나와 미국 하버드-MIT 연합 의공학대학원에서 의공학 박사학위를 받은 2010년 6월 KAIST 물리학과 조교수로 부임했다.
그림1. 단일 박테리아의 (a) 위상 이미지와 (b) 광 산란 패턴, 그리고 (c) 박테리아 정보 추출을 위한 정량 분석 예시
2014.05.29
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무선전력전송 세계 최장거리 신기록 세워
무선으로 전력을 전송하는 기술에서 세계 최장거리 신기록이 나왔다. 향후 충전할 필요 없이 무선으로 전력을 공급받는 전자기기 시대가 열릴 것으로 보인다.
우리 학교 원자력및양자공학과 임춘택 교수는 다이폴 코일 공진방식(DCRS, Dipole Coil Resonance System)을 사용해 5m 떨어진 곳에 209W(와트)를 무선으로 전송하는데 성공했다.
5m 거리에서 스마트폰 40대를 동시에 충전하거나 선풍기 5대를 켤 수 있으며 초대형 LED TV까지도 켤 수 있다.
장거리 무선전력 전송기술은 지난 2007년 미국 MIT에서 자기결합 공진방식(CMRS, Coupled Magnetic Resonance System)을 사용해 2.1m거리에서 60W 전력 전송에 성공한 이후 세계적으로 커다란 관심을 받았다.
그러나 이 기술은 △복잡한 코일구조(입력코일, 송신코일, 수신코일, 부하코일) △송수신코일의 큰 부피 △10MHz(메가헤르츠, 100만 헤르츠) 이상의 높은 동작주파수로 인한 낮은 효율 △온도변화 등 주변 환경 변화에 지나치게 민감한 특성 등의 문제로 개발된 지 6년이 지나도록 제대로 상용화되지 못했다.
임 교수팀은 기존 기술의 단점을 극복하기 위해 다이폴 코일 공진방식(DCRS)을 개발했다.
연구팀은 △코일 수를 2개(송신코일, 수신코일)로 줄이고 △최적화된 다이폴 구조의 고주파 자성체(페라이트 코어)를 사용해 부피(가로 3m × 세로 10cm × 높이 20cm)를 크게 줄였으며 △주파수 변동이 적어 주변 환경변화에는 기존기술보다 20배 이상 강인하면서도 △100kHz(킬로헤르츠, 1,000헤르츠)대의 낮은 주파수에서 동작해 효율이 상승, 실용화에 성큼 다가선 것으로 평가받고 있다.
연구팀은 ㈜한수원과 공동으로 원전 중대사고시 격납건물 필수계측기용 소형 비상전원을 개발하고 있는데 여기에도 이 기술을 적용해 지난 3월 7m 거리에 10W의 전력을 전송하는 실험에 성공하기도 했다.
일본 후쿠시마 원전 사고 시 계측기에 공급되는 전원이 상실되어 내부 상황을 정확히 알 수 없었기 때문에 피해가 더 커진 면이 있는데 이 기술을 원전에 도입하면 사고 시 대책마련에 크게 도움을 줄 수 있다고 연구팀은 전했다.
임춘택 교수는 이번 연구에 대해 “기존 기술에 비해 전송거리는 2배 이상, 전송전력은 3배 이상으로 높여 장거리 무선전력전송기술의 상용화를 앞당길 수 있게 됐다”고 연구 의의를 밝혔다.
이와 함께 “전기선으로 직접 연결해서 쓰는 것과 비교할 때 상대적으로 효율이 떨어지고 비싼 것은 사실”이라며 “하지만 와이파이 존(Wi-Fi Zone)처럼 특정 장소에 접근하면 별도의 충전기가 필요 없이 무선으로 전자기기를 사용할 수 있는 편리한 기술개발을 추진하고 있다”고 말했다.
산업통상자원부 지원을 받은 이번 연구 성과는 올해 3월 국제전기전자공학회 전력전자 저널(IEEE Trans. on Power Electronics)에 게재됐다.
▣ 용어설명
o 자기결합 공진방식 (CMRS: Coupled Magnetic Resonance System) MIT가 2007년, 2.1m 거리에 60W의 전력을 무선으로 전송하는 데 사용된 기술로, 고주파 전원과 연결된 입력코일, 입력코일과 강하게 자기결합 되어 자기장의 세기를 증폭시키는 송신코일, 송신코일에서 발생하는 자기장을 받아들이는 수신코일, 수신코일과 강하게 자기결합된 부하코일로 이뤄져 있다. 2,000이상의 높은 공진도(Q factor)의 공심코일(air coil)을 사용하여, 0.1%만 공진주파수가 변해도 전력이 잘 전달되지 않는 단점이 있다.
o 다이폴 코일 공진방식 (DCRS: Dipole Coil Resonance System) 페라이트코어를 사용한 쌍극자(dipole) 구조의 송신, 수신 코일 두 개로 이루어져 있다. 송수신단에 공진회로를 써서 큰 전력을 전송할 수 있으면서도, 공진도 Q가 통상 100 이하로서 1% 정도의 공진주파수 변동 시에도 전력이 전달되는 강인한 특성이 있다. 코어의 사용량을 절반 정도로 줄여주는 최적의 계단형 코어를 채택했으며, 인체나 금속파편이 주변에 산재하여도 무선전력 전송에는 아무런 지장이 없어 재난재해에 아주 강한 특성을 갖고 있다.
그림1. KAIST 유레카관 실험실에 설치된 200W급 DCRS. 5m 거리에서 LED TV를 켤 수 있다.
그림2. 2개의 다이폴 코일 공진 시 자장 분포도
그림3. 무선전력 전송 시 루프 코일(MIT방식)에 비해 다이폴 코일(KAIST 방식)이 더 우수하다는 것을 보여주는 그림(맨 위부터 루프코일, 다이폴코일, 거리별 전력전송능력 비교결과)
2014.04.17
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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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임춘택 교수, 새로운 무선충전 전달장치 개발
- 온라인 전기차 OLEV 용 ‘I형 무선전력 전달장치’ 개발 -
- 기존의 레일형 플랫폼 대비 공사기간 10분의 1로 단축하고 선로비용 기존의 80% 수준 -
우리 대학이 개발한 온라인 전기차 올레브(이하 OLEV)가 경제성을 더욱 개선한 새로운 무선전력 전달장치 개발로 실용화에 한걸음 더 다가섰다.
우리 대학 원자력및양자공학과 임춘택 교수(49세)가 기존의 레일형 급전선로와 형태가 다른 ‘I형 무선전력 전달장치’를 개발했다
임 교수 연구팀이 개발에 성공한 I형 무선전력 전달장치는 모듈형 제작이 가능하기 때문에 기존의 급전선로에 비해 콘크리트 공사가 필요 없고 아스팔트 시설비용도 절약할 수 있어 온라인 전기차에 적용할 경우 설치비용을 크게 절감할 수 있는 이점이 있다.
KAIST OLEV는 도로 밑 약 15cm 지점에 매설한 전선에서 발생하는 자기장을 차량하부에 장착한 집전장치에서 전기에너지로 변환해 운행하는 새로운 개념의 친환경 전기차인데, KAIST가 지난 2009년 세계 최초로 도로주행용 무선전기차 개발에 성공했다. KAIST OLEV는 신호대기 등 정차 중에 충전할 수 있으며 주행 중에는 실시간으로 전력을 전달받아 운행한다.
현재 대전 KAIST 문지캠퍼스를 비롯해 여수 엑스포전시관, 서울대공원에서 각각 시범운행 중인 OLEV는 레일형으로 급전선로 폭이 80cm이며 공극간격 20cm에서 집전장치 당 15kW까지 충전이 가능하다.
KAIST OLEV는 그 동안 기술력과 아이디어 면에서는 크게 인정을 받은 반면 기존 도로에 설치하기 위해선 도로를 파고 시스템을 설치해야 하는 등 경제성 문제로 상용화에 어려움이 있다는 지적을 받아왔다.
임 교수팀이 이번에 새로 개발한 ‘I형 무선전력 전달장치’는 급전선로 폭을 10cm로 줄여 기존선로 폭의 1/8로 줄였으며 무선전력도 공극간격 20cm에서 25kW까지 전달할 수 있도록 성능이 대폭 향상됐다. 또한 차량의 좌우 허용편차도 24cm로 넓어졌으며 전자기장도 국제적 설계 가이드라인을 충족해 인체안전성에도 문제가 없다.
급전선로 폭이 획기적으로 줄어들고 공장에서 대량으로 모듈제작이 가능해진 만큼 그동안 경제성 측면에서 지적을 받아 온 KAIST OLEV로서는 새로운 급전시설 개발이 실용화에 큰 도움이 될 것으로 전문가들은 예상하고 있다. 임춘택 교수도 “기존 레일형에 비해 공사시간은 10분의 1로 크게 단축되고 급전선로 비용도 80%에 불과해 시공성과 경제성이 모두 크게 개선됐다”고 강조했다.
임 교수 연구팀의 이번 연구성과는 작년 12월 국제전기전자공학회 전력전자 저널 (IEEE Trans. on Power Electronics)에 게재됐다. 임 교수는 올 2월 미국에서 열린 국제 전기차학회 (Conference on Electric Roads & Vehicles)에 초청돼 관련기술에 대해 강연도 진행했다. 한편, 이번 연구는 지식경제부가 지원한 온라인 전기자동차(OLEV) 원천기술개발과제를 통해 수행됐다.
2012.06.22
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