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인공지능으로 조현병 원인치료의 실마리 찾다
정신분열증으로도 알려진 조현병은 환청, 환영, 인지장애 등의 증상으로 대표되는 정신질환이다. 국내 연구진이 인공지능을 활용해 그동안 증상 억제만이 가능했던 조현병의 원인을 치료할 수 있는 실마리를 찾았다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 이도헌 교수 및 한국한의학연구원(원장 이진용) 공동연구팀이 미국 스탠리 의과학연구소(이하 스탠리연구소) 와의 국제공동연구를 통해 인공지능으로 개인의 유전형과 조현병 사이의 선천적 병리 모델과 조현병 예측 마커를 발굴했다고 27일 밝혔다.
조현병은 2016년 강남역 살인사건, 2019년 진주 방화사건, 2023년 대전 칼부림 사건 등 일부 환자들의 강력범죄와 환자에 대한 사회적 낙인으로 인해 조현병은 심각한 사회적 문제가 되었다. 그러나 이러한 심각성에도 불구하고 조현병의 원인은 명확히 밝혀지지 않아, 리스페리돈(risperidone), 클로자핀(clozapine) 등 항정신병제에 의한 증상의 억제만이 가능한 실정이다.
이도헌 교수 연구팀은 미 스탠리연구소의 다수준 뇌 조직 데이터에 최근 주목받는 인공지능 기술인 `설명가능한 심층학습' 기술을 접목해, 선천적 유전형과 조현병 사이의 병리를 설명하는 인공신경망 모델을 구축했다. 그리고 모델을 해석하여, 선천적 유전형이 유전자·단백질 발현 조절을 통해 뇌의 전전두엽피질, 안와전두엽피질 신경세포의 발생을 변화시켜 조현병 취약성을 결정한다는 사실을 밝혀냈다. 또한, 뇌의 신경세포 밀도를 감소시키는 유전형 조합을 조현병 예측 마커로 제시해, 개인화된 조현병 예측과 세포 치료 등을 통한 조현병 원인치료의 가능성을 열었다.
이도헌 교수는 바이오의료 분야는 `속내를 알 수 없는 인공지능'보다는 `속내를 해석가능한 인공지능'이 꼭 필요한 분야라고 강조하면서, “기존의 인공지능과 비교했을 때 이번 연구에서는 인공신경망의 중간 노드에 유전자 이름, 세포의 상태와 같은 구체적인 생물학적 의미가 부여된 노드를 배치하고 그들간의 연결관계를 기계학습기법으로 분석했다”라고 말했다.
바이오및뇌공학과 이도헌 교수, 조유상 박사(現 한국한의학연구원 선임연구원), 미 스탠리연구소 김상현 박사, 마리 웹스터 박사가 공동으로 진행한 이번 연구는 영국 옥스퍼드대학교에서 발간하는 세계적 학술지인 `기능유전체학 브리핑(Briefings in Functional Genomics)'지 2023년 9월호에 게재됐다.
2023.09.27
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남기영 교수 연구팀, ＇2023 스타트업 코리아 투자 위크＇ 전문 컨설팅 진행
우리 대학 산업디자인학과 디자인전략연구실 남기영 교수 연구팀이 지난 5일부터 7일까지 어은동과 궁동 일대에서 열린 '2023 스타트업 코리아 투자 위크(Startup Korea Investment Week, 이하 SIW)'에서 지역 가치 창출가(local creator)들을 위한 고객 경험디자인 컨설팅 부스를 운영했다.
남 교수 연구팀이 초청받은 이번 SIW는 창업 투자를 주제로 과학기술, 스타트업, 투자사, 유관기관 등 1000여 개 사가 한데 모여 축제처럼 교류하는 대규모 행사다. 중소벤처기업부와 대전시가 주최하고 대전창조경제혁신센터가 주관했다.
기존의 창업 행사가 투자사와 스타트업 위주로 진행되는 반면, 올해 행사는 최근 부상 중인 '로컬' 분야가 추가돼 궁동 일대의 지역상점을 상담 거리로 조성하고 지역민과 함께 창업생태계를 만들어 가는 계기를 마련했다.
남 교수 연구실의 우은지, 류예담 박사과정은 지역 가치 창출가들을 대상으로 공동체 기반의 고객 경험 창출, 고객과 함께 비즈니스를 운영하는 지역 비즈니스 커머닝(Commoning, 지역 비즈니스의 자원을 주민들과 공유하고 참여적으로 비즈니스를 운영하는 것) 상담 부스를 이틀간 운영했다.
우은지 박사과정은 지난 4년간 진행해온 지역상점 고객 경험 연구와 현장 경험을 통해 여섯 가지의 커뮤니티 기반 고객 경험 디자인 전략을 도출했으며, 이를 바탕으로 지역 혁신가들이 운영 중인 비즈니스의 고객 경험을 진단하고 원하는 커뮤니티를 만들기 위한 다양한 전략을 함께 설계했다.
류예담 박사과정은 지역 비즈니스 커머닝 사례 36개를 분석해 설계한 툴을 활용하여 지역 혁신가의 비즈니스가 커먼즈로 활용할 수 있는 가능성을 탐색하고 주민들이 참여하는 비즈니스 운영 방법을 조언했다.
남기영 교수는 "상담을 받은 지역 가치 창출가들에게 자신이 운영하는 비즈니스의 발전 가능성을 극대화할 수 있는 커뮤니티 기반 고객경험 창출 전략과 지역 비즈니스 커머닝에 대해 공유할 수 있는 시간이었다"라고 말했다.
이어, 남 교수는 "지역 혁신가들이 상담을 통해 조언을 듣고 자신이 운영하는 비즈니스의 고객경험과 커머닝을 전문가들과 공동 설계(co-design) 해 볼 수 있는 값진 기회로 평가했다는 점에서 의미 깊다"라고 덧붙였다. 한편, 디자인전략연구실(Designize Lab.)은 디자인씽킹(Design Thinking)에 기반해 사회혁신 및 시민 참여적 정책개발 등의 주제로 전략개발 및 연구를 수행하고 있다. 최근에는 지역 혁신가를 비롯한 지역 내 다양한 주체들과 협업하며 사회적 문제를 창의적이고 효과적으로 해결할 수 있는 이해관계자 중심의 전략디자인 연구로 지역 내 사회적 임팩트를 만들어가고 있다.
2023.09.26
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반도체 기술로 75배 향상된 초고효율 수소 생산 성공
반도체 공정기술을 활용하여 세계 최고 수준의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지하는 기술이 개발되어 화제다.
우리 대학 신소재공학과 정연식 교수·KIST(원장 윤석진) 김진영 박사·김동훈 박사 공동 연구팀이 수소 생산 촉매가 반응 중 잃어버리는 전자를 신개념 산화물 반도체로부터 보충받는 새로운 원리를 활용해 고효율 및 고내구성 수소 생산 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
고순도 그린 수소를 생산하기 위해 신재생에너지로 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용하게 된다. 이때 주로 사용되는 이리듐(Ir) 촉매의 경우 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율과 고내구성을 동시에 달성할 수 있게 된다. 하지만 일반적으로 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 촉매 반응의 특성 때문에 효율과 수명이 현저히 저하되는 고질적인 문제가 있었다.
KAIST-KIST 공동 연구팀은 초미세 패턴을 적층하여 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용하였다. 이때 사용한 물질은 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물이며, 이 산화물 표면에는 ‘전자 저장소’역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용하였다. 이 독특한 산화물 반도체를 촉매 지지체로 사용하게 되면 표면에 위치한 산소 이온이 이리듐(Ir) 촉매로 충분한 양의 전자를 지속적으로 보충해 줌으로써 촉매의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지해 주게 된다.
연구팀은 이를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 이리듐(Ir) 상용 나노입자 촉매에 비해 최대 75배 개선된 세계 최고 수준의 성능 향상을 달성함과 동시에 높은 전류 밀도에서 장시간 구동하는 우수한 내구성 또한 확보했다.
우리 대학 정연식 교수는 “일반적으로 반도체 기술과 수소 생산은 크게 다른 분야로 여겨지지만, 기존 합성 기술로는 얻기 어려운 독특한 조성의 소재를 정밀 반도체 공정 기술로 구현함으로써 높은 효율을 달성할 수 있었고, 이는 기술 분야 간 융합의 중요성을 잘 보여주는 연구 사례”라고 덧붙였다. KIST 김진영 박사는“기존 귀금속 촉매량의 1/10 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성해, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 언급했다.
신소재공학과 이규락 학생, KIST 김준 박사, 홍두선 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 9월 5일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Efficient and sustainable water electrolysis achieved by excess electron reservoir enabling charge replenishment to catalysts)
이번 연구는 산업자원통상부 에너지혁신인재양성사업, 과학기술정보통신부 미래수소원천기술개발사업, 그리고 과학기술정보통신부 나노소재기술개발 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
2023.09.25
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빛의 화가 김인중 신부 ‘빛의 소명’ 특별 전시 개최
우리 대학이 세계적인 스테인드글라스 거장인 김인중 신부(베드로·도미니코 수도회)의 특별전시 '빛의 소명(召命) La Vocation de Lumière' 展을 18일부터 개최한다.
대전 본원 학술문화관 4층 김인중홀에서 열리는 이번 전시에서는 산업디자인학과 초빙석학교수로 임용된 김인중 신부가 제작한 가로 10.12m, 세로 7.33m 크기의 천장 스테인드글라스 작품이 공개된다. 우리 대학의 지원을 받아 제작된 이 작품은 김인중 신부가 채색한 도안을 유리판에 세라믹 컬러 페인트로 정교하게 옮긴 후 630℃에 구워 완성됐다. 전체 면적 68.06㎡로 총 53점의 유리판으로 구성됐다. 일반 벽면이 아닌 20m 높이의 천창에 설치된 작품은 투과되는 빛에 따라 다양한 입체감으로 색을 드리운다. 김인중 신부 고유의 붓 터치와 색감에 시간과 계절이라는 자연의 변화가 더해져 매일 다른 빛의 형상을 감상할 수 있는 것이 특징이다. 김 신부는 지난해 4월부터 제작회의, 세미나, 인터뷰 등을 통해 여러 차례 KAIST 구성원들과 교류하며 설치 공간을 선정하고 이에 맞는 작품을 설계했다. 스테인드글라스의 스케치 격인 원화를 그리는 창작 과정도 구성원들에게 공개됐다. 작품이 설치된 학술문화관 4층은 학생들의 창작·협업·휴식·행사 개최 등 다양한 목적으로 사용되는 공간이다. 캠퍼스를 전시 공간으로 활용하는 ‘캠퍼스 갤러리’ 추진 계획에 맞춰 이번 전시를 계기로 김인중홀로 명명돼 스테인드글라스와 함께 원화 회화 9점이 함께 전시된다.
김인중 신부는 "사람들을 결합시키고 사상을 전달하는 수단이 된다는 점에서 예술과 과학의 구실은 같지만, 과학은 개념으로 설명하고 예술은 미적 형상(美的形象)으로 말한다"라고 전했다. 이어, 김 신부는 "교내 구성원들이 예술 작품에 영감을 받아 창의적인 인재로 성장할 수 있길 바란다"라고 덧붙였다. 전시를 총괄한 석현정 KAIST 미술관장은"스테인드글라스로 빛의 존재를 다시금 상기시켜 주는 '빛의 소명(召命)' 전시는 캠퍼스의 일상 공간을 영감의 원천을 제공하는 특별한 공간으로 바꾸어 놓았다"라고 설명했다. 석 관장은 "물감보다 더 정교하고 미묘한 수천 가지 색을 머금은 색유리의 아름다움을 탐미하며 구성원들이 생활 속에서 문화예술을 향유하길 바란다"고 말했다.
김인중 특별전시 '빛의 소명(召命) La Vocation de Lumière'은 올해 12월 29일까지 KAIST 구성원은 물론 대중에게 무료로 공개된다. 법정 공휴일을 제외한 매일 정오에 사전 예약자에 한해 도슨트가 함께하는 '홀리눈(Holy Noon)' 투어를 진행한다. 도슨트 투어 신청에 관한 내용은 KAIST 미술관 홈페이지(https://art.kaist.ac.kr/)에서 확인할 수 있다. 김인중 작가는 서울대 미술대학 회화과와 동대학원을 졸업한 뒤 1969년 스위스 프리부르(Fribourg)대학으로 떠나 도미니코 수도회에 입회해 사제가 되었다. 1973년 파리 쟈크 마쏠 화랑에서 첫 개인전을 연 이후 프랑스를 중심으로 활동했다. 스위스 일간지 '르 마땡(Le Matin)'에서 세계 10대 스테인드글라스 작가로 선정되며 유럽 화단에서 '빛의 화가'라는 칭호를 얻었다. 프랑스 정부로부터 문화예술 공훈 훈장인 '오피시에'(2010)를 받아 한국인으로는 처음 '아카데미 프랑스 가톨릭' 회원(2016)에 추대됐다. 프랑스 중부의 소도시인 앙베르(Ambert)의 옛 재판소 자리의 '김인중 미술관'(2019), 아일랜드 더블린 현대미술관(Museum of Modern Art), 국립현대미술관, 대전시립미술관, 용인 신봉동성당 등이 작품을 소장하고 있다.
▶ ART TALK :: 김인중의 스테인드글라스 Kim Enjoong's Stained Glass(https://youtu.be/jBoAdOQayy0)
2023.09.18
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강이연 교수, 영국 하원이 발간한 인공지능과 창의기술 보고서 참여
우리 대학 산업디자인학과 강이연 교수가 영국 하원 의회 소속 문화, 미디어, 스포츠 위원회(Culture, Media and Sport Committee, 이하 DCMS 위원회)의 초청을 받아 참여한 「연결된 기술: 인공지능과 창의기술 보고서(Connected tech: AI and creative technology Report」가 지난달 30일 발행됐다. 강 교수는 국제적으로 활동하는 미디어 아티스트이자 연구자, 교육자로서 지난해 11월 DCMS 위원회의 공청회(Enquiry Evidence Session)에 참여했으며, 이 보고서는 당시의 논의를 토대로 작성됐다. 해당 공청회는 영국 정부 부처와 국회의원들이 관심 있는 분야의 전문가를 초청해 의견을 듣는 공식회의로 이 자리에서 나온 전문가들의 의견은 추후 정책 수립에 반영이 된다.
강이연 교수는 '연결된 기술: 현명한가 사악한가?(Connected tech: smart or sinister?)'라는 주제로 열린 세션에 참여했다. 인공지능 기술이 예술 창작자에게 미치는 영향, 메타버스 등의 새로운 플랫폼이 문화산업에 미치는 영향과 현장에서 발생하는 문제들, 나아가 이러한 기술 기반 예술 분야를 고등교육 환경에서 교육하면서 발생하는 이슈들에 대해 영국 의원들과 논의했다. 다양한 쟁점과 이에 대한 전문가들의 의견을 담은 이번 보고서는 예술가들이 발전하는 기술의 한계를 뛰어넘을 수 있도록 크리에이티브 산업(creative industry)에 대한 지원을 보장할 것을 정부에 촉구하는 내용을 담고 있다. 또한, 빅토리아 앤 앨버트 박물관(Victoria and Albert Museum)이 강 교수의 미디어 아트를 전시 및 소장 것을 사례로 들며 관련 기관과 산업계가 어떻게 혁신기술을 수용하며, 새로운 가치를 보여주는지를 소개했다.
▴원작자가 지닌 권리와 인공지능 저작물 사이에 발생하는 충돌지점과 경제적 이슈들 및 업계 전반의 우려를 강조 ▴인공지능 기술이 크리에이티브 산업에 주는 영향 ▴실제 현장에서 생기는 이슈들과 현재 정책들의 유효성 ▴생성형 인공지능(Generative AI)과 같은 새로운 기술이 만들어낸 창작물에 적용되는 현행 제도의 문제점 등을 논의하고 해당 정책의 조속한 개선을 정부에게 촉구하는 내용을 눈여겨볼 만한 보고서다.
이와 함께, 전자 및 통신 기술 선진국인 한국이 K-pop, 영화 등 문화산업에서도 기술적 강점을 발휘하며 빠르게 발전 중인 현황이 강조되어 있어 한국의 기술 및 엔터테인먼트 분야에 대한 영국의 관심도 잘 드러나 있다.
강이연 교수는 "이번 보고서는 과학기술뿐 아니라 문화강국으로 거듭나고 있는 한국이 앞으로 기술과 예술의 융·복합적 분야를 선도할 것으로 예측하고 있다"라며, "이를 포함해 기술과 예술의 융합 및 현 제도의 문제와 보완책 등에 관한 영국의 논의는 KAIST에도 많은 시사점을 남긴다"라고 전했다. 한편, 이번에 발간된 보고서는 영국 의회 홈페이지(☞바로가기 클릭)에서 확인할 수 있다.
2023.09.08
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2023 ‘Next Generation City Action’ 국제경진대회 참가 및 수상
국제건축사연맹(International Union of Architects, UIA)와 덴마크 공대(DTU Skylab)가 공동 주관하는 2023 Next Generation City Action 국제경진대회에 지난 7월 “KAIST Surplus Hub팀”이 한국 대표로 참가, National Winner 및 Best Collaboration 상을 수상했다.
건설및환경공학과 김영철 교수의 지도로 이제형(전산학부), 서동은(건설환경), Artem Vasilev(건설환경) 3명의 학생이 팀을 이루어 참여한 금번 대회는 “지속가능한 환경 및 도시”를 주제로 각국 학생들이 개발한 기술과 솔루션을 해외 저명 전문가들 앞에서 발표(Pitch)하고 조언을 듣는 자리를 겸하고 있다.
학생들은 6월 한달 동안 “Behavioural Change for Water Justice”라는 주제 아래 어떠한 방식으로 물 소비를 줄임과 동시에 안전문제를 향상시킬 수 있을지에 대해 고민하는 시간을 통해 “Vibration-based toilet leakage detection system (진동 감지를 통한 변기 누수 탐지 센서)” 기술을 개발, 발표하였다.
전세계적으로 누수로 낭비되고 있는 물의 양 중 가장 큰 비중을 차지하는 변기 누수의 경우 평소 사용자가 쉽게 발견하기 어려운 관계로 이를 해결하기 위한 누수 탐지기 모델을 개발하는 것이 KAIST 팀의 목표이자 과제였다.
변기 파이프 내부에 흐르는 물을 탐지하는 방법이 매우 까다롭고 고가의 장비라는 단점을 지닌 기존의 누수 탐지기와 달리 “진동을 감지할 수 있는 IMU 센서”를 통해 변기 파이프에 간단히 부착하는 방식으로 누수를 탐지하는 장치를 개발, 가정집 혹은 건물 관리자에게 판매함으로써 획기적인 물절약 효과를 가져올 뿐만 아니라 향후 Startup 비즈니스 모델로 성장시키는 프로젝트를 진행하였다.
KAIST 팀의 아이디어와 접근방식은 평가위원단의 호평을 받으며 앞서 언급된 두 가지 상을 동시에 수상함으로써 다시 한번 KAIST 구성원들의 우수성 및 잠재력을 관련 전문가들에게 각인시키는 기회가 되었으며, 본 기술을 활용하기 위한 창업기업들의 관심도가 높아질 것으로 기대되고 있다.
2023.08.29
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쭉쭉 늘어나는 웨어러블 디바이스 핵심기술 개발
웨어러블 전자 소자, 소프트 로보틱스 등 차세대 전자 디바이스에는 오랜 시간 손상되지 않으며 구동하기 위해서는 단단하고 잘 늘어나면서도 스스로 치유되는 성질을 가지는 탄성 고분자 소재의 개발이 필요하다.
우리 대학 신소재공학과 강지형 교수 연구팀이 탄성 고분자 소재의 기계적 물성과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 고분자 설계법을 개발하였다고 28일 밝혔다.
자가 치유 고분자는 고분자 사슬의 움직임이 많고 에너지 분산에 효율적인 결합이 사용될 경우에 자가 치유 특성을 가지게 된다. 하지만 이러한 성질은 고분자 소재를 기계적으로 약하게 만들게 되어 강하며 스스로 치유되는 특성을 동시에 가지는 재료의 개발에는 어려움이 있었다.
강지형 교수 연구팀은 금속 이온과 유기 리간드를 포함한 고분자 사이의 결합에 음이온이 미치는 영향에 대해 다양한 분석법을 통해 심도 있게 분석하여 고분자 소재가 외부 힘에 얼마나 견디는지에 대한 응력 완화 메커니즘을 규명했다. 이를 바탕으로 각기 다른 기능을 가지는 두 음이온을 의도적으로 섞어 기존 소재 대비 강성이 세 배 이상 향상하는 동시에 자가 치유 효율성도 동반 향상하는 결과를 얻어냈다.
단백질에서 많이 볼 수 있는 배위 결합을 기반으로 한 자가 치유 고분자는 금속 양이온과 고분자내 유기 리간드가 가교 결합을 형성하고 전하 균형을 위해 음이온이 근처에 존재하는 형태를 가지고 있다. 하지만 기존의 연구들은 음이온이 배위 결합 형성에 미치는 영향을 심도 있게 분석하지 않았다.
연구팀은 다른 성질을 나타내는 다섯 가지 음이온을 선별하여 배위에 참여하는 음이온, 배위에 참여하지 않는 음이온, 둘 이상의 배위 방식을 가지는 음이온, 총 세 카테고리로 분류했으며 이들이 거시적 고분자 물성에 미치는 영향을 분석했다. 배위에 참여하는 음이온은 고분자의 탄성율을 높이지만 소재가 끊어지지 않고 늘어나게 하는 연신율을 감소시키는 반면 배위에 참여하지 않는 음이온은 낮은 탄성율과 높은 연신율을 부여한다. 둘 이상의 배위 방식을 가지는 음이온은 응력 완화 메커니즘의 다양화를 이끌어 높은 탄성률과 상대적으로 높은 연신율을 부여한다.
이에 따라 연구팀은 다중 배위 방식을 가지는 음이온과 배위에 참여하지 않는 음이온을 혼합했을 때 두 음이온이 가지는 시너지로 인해 단독 음이온 시스템에 비해 더 높은 탄성률, 높은 연신율, 높은 자가 치유 효율성이 나타나는 것을 밝혔다.
이번 연구를 주도한 강지형 교수는 “이번 연구는 양날의 검과 같은 관계를 갖는 탄성 고분자 소재의 기계적 성질과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 전략을 개발했다는 것에서 큰 의의가 있으며, 잘 찢어지지 않는 자가 치유 연성 고분자의 설계 및 합성에 새로운 방향성을 제시, 차세대 소재 개발에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
우리 대학 신소재공학과 박현창 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)’에 8월 19일 게재됐다. (논문명: Toughening self-healing elastomer crosslinked by metal–ligand coordination through mixed counter anion dynamics)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업 미래기술연구실 전략형, ERC 웨어러블 플랫폼 소재기술 센터의 지원을 받아 수행됐다.
2023.08.28
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마스크 하나로 선명한 3D 홀로그래픽 센서 구현
일반카메라에 비해 홀로그래픽 카메라는 물체의 3D 정보를 획득하는 능력 덕분에 현실감 있는 영상을 제공한다. 하지만 기존 홀로그래픽 카메라 기술은 광파(光波)의 간섭 현상을 이용하여 빛의 파장·굴절률 등을 측정하는 장치인 간섭계를 사용하여 복잡하고 주변 환경에 민감한 단점이 있다.
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 3차원 홀로그래피 이미징 센서 기술의 새로운 도약을 이뤘다고 23일 발표했다.
연구팀은 복잡한 간섭계를 사용하지 않는 혁신적인 홀로그래피 카메라 기술을 발표했다. 이 기술은 마스크를 이용해 빛의 위상 정보를 정밀하게 측정하며, 이에 따라 물체의 3D 정보를 더욱 정확하게 재구성할 수 있다.
연구팀은 제시한 혁신적인 방법은 수학적으로 특정 조건을 만족하는 마스크를 일반 카메라에 추가하고, 이를 통해 측정한 레이저 산란광을 컴퓨터 상에서 분석하는 방식이다. 복잡한 간섭계가 필요하지 않고, 더욱 단순화된 광학 시스템을 통해 빛의 위상 정보를 효과적으로 획득한다. 이 기술에서는 물체 뒤 위치한 두 렌즈 사이의 특별한 마스크가 중요한 역할을 한다. 이 마스크는 빛의 특정 부분을 선별적으로 필터링하며, 렌즈를 통과하는 빛의 강도는 일반적인 상업용 카메라로 측정될 수 있다. 이 기술은 카메라로부터 받아온 이미지 데이터와 마스크의 독특한 패턴을 결합해, 알고리즘 처리를 통해 물체의 세밀한 3D 정보를 복원한다.
이러한 방식은 어떤 위치의 물체든 선명하게 3차원으로 촬영하는 능력을 갖추고 있다. 실제 구현을 위해서는, 일반적인 이미지 센서에 단순한 디자인의 마스크를 추가하는 것으로 레이저 홀로그래피 3D 이미지 센서 구현이 가능하다. 이에 따라 광학 시스템의 설계와 제작이 더욱 간편해진다. 특히 이 새로운 기술은 빠른 움직임의 물체에도 선명한 홀로그래픽 이미지 촬영이 가능해 활용 범위가 넓어질 것으로 예상된다.
물리학과 오정훈 박사가 제1 저자로 참여한 이 연구 결과는 국제적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)' 8월 12일 字에 출판됐다. (논문명: Non-interferometric stand-alone single-shot holographic camera using reciprocal diffractive imaging)
제1 저자인 물리학과 오정훈 박사는 “제안하는 홀로그래픽 카메라의 모듈은 일반 카메라에 필터를 추가하는 방식으로 구현될 수 있으므로, 실용화된다면 일상생활에서 비전문가가 손쉽게 사용할 수 있을 것이다”라며, “특히 기존의 원격 감지 기술들을 대체할 수 있다는 높은 잠재력을 가지고 있다”라고 말했다.
한편 이번 연구는 연구재단의 리더연구사업, 과학기술정보통신부의 홀로그램핵심기술지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.08.23
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차세대 연료전지용 초고성능 ‘만능 전극’ 개발
연료전지란 청정에너지원인 수소를 이용해 고효율로 전력을 생산하는 장치로, 다가오는 수소 사회에서 중요한 역할을 하는 기술로 여겨진다. 차세대 연료전지에 모두 적용 가능하고 기존에 비해 700시간 구동에도 끄떡없는 우수한 전극 소재가 개발되어 화제다.
우리 대학 신소재공학과 정우철, 기계공학과 이강택 교수와 홍익대학교 김준혁 교수 공동 연구팀이 산소 이온 및 프로톤 전도성 고체산화물 연료전지에 모두 적용 가능한 전극 소재 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.
세라믹 연료전지는 전해질로 이동하는 이온의 종류에 따라 산소 이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 2가지로 나뉜다. 또한, 두 형태에 대해 모두 전력과 수소 간의 변환이 가능하므로 총 네 가지 소자로 구분될 수 있다. 해당 소자들은 수소전기차, 수소 충전소, 발전 시스템 등에 활용할 수 있는 탄소중립 사회를 위한 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다.
하지만, 이러한 소자들은 구동 온도가 낮아짐에 따라 가장 느린 전극 반응의 속도가 저하돼 소자의 효율이 크게 떨어지는 고질적인 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있지만, 보고된 대부분의 전극 소재는 촉매 활성도가 떨어질뿐더러 소재의 활용이 특정 소자에 집중되어 있어 전력 변환 및 수소 생산이 가역적으로 필요한 고체산화물 연료전지에 적용되기에 한계가 있었다.
연구팀은 문제해결을 위해 그동안 주목받지 못했던 페로브스카이트 산화물 소재에 높은 원자가 이온(Ta5+)을 도핑해 매우 불안정한 결정구조를 안정화하는 데 성공했고, 이를 통해 촉매 활성도가 100배 이상 향상됨을 확인했다.
연구팀이 개발한 전극 소재는 산소이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지의 전력 생산 및 수소 생산 총 4가지 소자에 모두 적용됐다. 또한 해당 소자들의 효율이 현재까지 보고된 소자 중 가장 우수하고 기존 100시간 운전에도 열화되던 소재에 비해 장기간(700시간) 구동에도 안정적으로 구동해, 개발된 전극 소재의 우수성이 입증됐다.
우리 대학 김동연, 안세종 박사과정 학생, 홍익대학교 김준혁 교수가 공동 제 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료·화학 분야의 세계적 권위지인 영국 왕립학회 ‘에너지 & 인바이런멘탈 사이언스, Energy & Environmental Science’(IF:32.5) 7월 12일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: An Universal Oxygen-Electrode for Reversible Solid Oxide Electrochemical Cells at Reduced Temperatures)
정우철 교수는 “문제점을 해결하기 위해서 완전히 새로운 소재를 개발해야 한다는 틀을 깨고 기존에 주목받지 못했던 소재의 결정구조를 잘 제어하면 고성능 연료전지를 개발할 수 있다는 아이디어를 제시한 의미있는 결과다”고 말했다.
또한 이강택 교수는 “하나의 소자에만 응용되었던 기존 소재들에 비해 총 4가지 소자에 모두 적용될 수 있는 유연성을 가지고 있어 추후 연료전지, 물 분해 수소 생산 장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
2023.08.09
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갈색 지방 열 생성 조절 인자 규명
우리 대학 의과학대학원 서재명 교수가 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 대사제어연구센터 배광희 박사, 김원곤 박사 연구팀과 공동연구를 통해 갈색지방의 신규 대사 조절 인자를 규명했다고 밝혔다.
갈색지방은 백색지방과는 달리 열 생성을 통해 에너지를 소모하며 갈색지방의 활성은 나이나 신체 대사적 상태 특히, 비만과 반비례 관계를 가지고 있다. 이러한 특성으로 갈색지방은 비만과 대사 질환 제어의 새로운 치료제 표적으로 간주되고 있다. 세포 내 에너지를 생성하는 미토콘드리아 기질에 위치한 짝풀림 단백질(UCP1)이 갈색지방의 열 생성 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있으나, 다른 열 생성 인자들에 관해서는 많이 알려지지 않았다.
공동 연구팀은 갈색지방의 RNA 전사체와 단백질체 정보를 이용한 다중오믹스 분석을 통해 LETMD1이라는 단백질이 갈색지방조직의 분화 및 발달 단계에서 선택적으로 발현되고 있음을 발견했다. 나아가 LETMD1 단백질이 기존 보고와는 달리 미토콘드리아 기질에 위치하고 있음을 새롭게 확인했다.
LETMD1 유전자 결핍 마우스를 제작하여 추위에 노출 시킨 결과, UCP1 단백질의 발현이 억제되어 있어 체온과 호흡을 유지시키지 못한다는 결과를 관찰했으며, 기전 연구를 통해 LETMD1 단백질이 호흡복합체의 발현과 기능에 영향을 준다는 사실을 밝혔다.
공동 제1 저자인 김광은 박사는 "갈색지방은 섭취한 에너지를 열로 전환할 수 있기 때문에, LETMD1 단백질을 통해 비만 등 대사성 질환의 예방 및 중재기술 개발에 활용될 수 있을 것ˮ이라고 말했다.
우리 대학 의과학대학원 김광은 박사 (현 서울대학교 화학부 박사후연구원)와 생명연 박안나 박사 (현 미시간대 의대 박사후연구원)가 공동 제 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 6월 23일자 온라인판에 출판되었다. (논문명 : Mitochondrial matrix protein LETMD1 maintains thermogenic capacity of brown adipose tissue in male mice).
이번 연구는 과기정통부 중견연구자 지원사업, 산업자원부 알키미스트사업, 국가신약개발사업, 생명연 주요사업, KAIST 국제공동연구지원사업의 지원으로 수행되었다.
2023.07.31
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NEREC, 2023 국제핵비확산학회 개최
우리 대학은 다음 달 1일(화)부터 이틀간 앰배서더 서울 풀만호텔에서 '2023 NEREC-KINAC 국제핵비확산학회'를 개최한다.
국제핵비확산학회는 세계 핵확산 동향 평가 및 핵비확산 전망, 북한 핵문제와 소형원자로 개발 등 원자력을 평화적으로 이용하기 위한 대안을 기술적·정책적 측면에서 통합적으로 모색하기 위한 대규모 연례 국제회의다.
올해는 학회 개최 10주년을 맞아 KAIST 핵비확산교육연구센터(센터장 임만성, Nuclear Nonproliferation Education and Research Center, NEREC)와 한국원자력통제기술원(원장대행 이나영, KINAC)이 공동 개최한다.
총 4개의 세션으로 진행되는 이번 학회는 ▴핵비확산의 관점에서 국제사회가 직면한 도전과제와 대응 방향 ▴북한 핵 개발 동향 및 전망과 핵 위협 감소를 위한 고찰 ▴소형원자로(SMRs) 개발과 도입에 따른 원자력 안전· 핵안보·안전조치 등에 대한 통합적 대응 방안 ▴미래 원자력기술의 평화적인 이용을 주도할 차세대 전문가 양성을 위한 국제사회 협력 방안 등을 주제로 다룬다.
이를 위해, 보니 젠킨스(Bonnie Jenkins) 미국 국무부 군비통제·국제안보 차관, 빅터 차(Victor Cha) 미 국제전략연구소 한국석좌, 스티븐 밀러(Steven E. Miller) 미 하버드대 케네디스쿨 국제안보프로그램 국장 등이 기조연설하고, 백원필 한국원자력학회 회장이 폐회사를 전한다.
한국·미국·중국·호주·캐나다·인도네시아 등 8개국 소속 21개 대학 및 연구소의 원자력전문가와 국제정치전문가 총 26명이 발표와 토론을 맡는다. 온·오프라인으로 동시 진행되는 이번 학회에는 국내·외 핵비확산 정책 및 원자력기술 전문가 등 약 300여 명이 참여할 것으로 예상된다. 또한, 이번 학회 기간에는 세계 핵비확산체제의 미래를 주도해 갈 젊은 인재들이 대거 참여하는 'NEREC 총동문회'를 부대행사로 진행한다. KAIST 핵비확산교육연구센터는 세계 각국의 역량 있는 학생들을 핵비확산 전문가로 양성하는 국제 교육 훈련 프로그램을 10년간 운영해 총 50여 개 국가 출신 263명의 동문을 배출했다. 이들은 이번 행사를 계기로 한자리에 모여 신진 연구자 사이의 네트워크를 공고히 다지는 것은 물론 세대 간 소통을 위해 연사로 참여하는 세계적인 전문가들과 교류할 예정이다.
학회를 총괄한 임만성 KAIST 핵비확산교육연구센터장은 "올해 10주년을 맞이한 이번 학회가 우리 시대 원자력 기술의 평화적 이용과 관련된 도전과제를 해결해 나가는 데 실천적이고 구체적인 방안을 제시하는 전진의 자리가 되기를 바란다"라고 밝혔다. 우리나라 시간을 기준으로 8월 1일 오전 10시에 시작되는 이번 행사는 모든 순서가 유튜브로 실시간 중계되며, 유튜브 KAIST NEREC 채널에서 누구든 무료로 참여할 수 있다. '2023 NEREC-KINAC 국제핵비확산학회'와 관련한 자세한 내용 참여 방법은 사무국(042-350-8115)에서 확인할 수 있다.
2023.07.28
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인과관계 추정 정확도 높인 새로운 방법론 개발
우리 대학 수리과학과 김재경 교수 연구팀이 수학 모델을 기반으로 시계열 데이터의 인과관계를 추정하는 새로운 방법론을 개발했다. 복잡한 계산 과정을 없애 기존보다 빠른 속도로 추론이 가능하면서도, 정확도는 획기적으로 높였다.
매 순간 다양한 데이터가 기록되고 있다. 그중 시간의 흐름을 기준으로 기록된 ‘시계열 데이터’는 일기 예보와 경제 분야뿐만 아니라 의학 분야에서도 가치 있게 쓰인다. 입원 환자의 심전도 측정을 통해 심장 발작의 직접적인 요인을 찾는 것과 같이 인과관계를 추정하는 것이 대표적이다. 최근에는 스마트 워치 등 웨어러블 기기를 통해 일상에서 건강 데이터를 쉽게 수집할 수 있게 되면서, 의학 분야에서 시계열 데이터 분석의 중요성이 더 커지고 있다.
시계열 데이터에서 인과관계를 추정하는 대표적인 방법으로는 2003년 노벨 경제학상을 수상한 클라이브 그레인저 미국 샌디에이고캘리포니아대(UC샌디에이고) 교수가 제시한 ‘그레인저 인과관계 검정(Granger causality test)’이 있다. 이는 미래 경제지표 예측, 질병 요인분석, 지구온난화의 원인 등 수많은 분야에 걸쳐 응용됐다. 그레인저 인과관계 검정을 개선한 정보 이론 기반의 다양한 인과관계 추정 방법이 개발됐지만, 일련의 방법들은 시계열 데이터가 비슷한 주기로 변화하는 동시성을 가지기만 하면, 인과관계가 있다고 잘못 예측하는 경우가 많았다. 또한, 직접적인 인과관계와 간접적인 인과관계를 구별하지 못한다는 한계도 있었다.
이러한 한계를 극복하기 위해 최근 수리 모델을 기반으로 하는 방법론들이 등장했다. 수리 모델로 주어진 시계열 데이터를 잘 맞출 수 있는지 확인하는 방법을 통해 인과관계를 예측한다. 수리 모델이 정확하기만 하면 기존 그레인저 인과관계 검정의 한계인 동시성과 간접적인 영향을 인과관계와 혼동하지 않는다는 장점이 있다. 그러나 정확한 수리 모델을 알기 힘들고, 현재까지 제시된 수리 모델 기반 방법론들은 복잡한 계산이 필요해 추정 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다.
이러한 상황에서 연구팀은 기존 방법론들의 한계를 모두 해결한 새로운 방법론 ‘GOBI(General ODE-Based Inference)’를 개발했다. 우선, 연구팀은 시계열 데이터가 일반적인 수학 모델로 표현될 수 있는지 확인하는 수학 이론을 만들었다. 그리고 이 이론을 바탕으로 정확한 수리 모델이나 복잡한 계산 없이도 시계열 데이터로부터 인과관계를 추정하는 방법론을 개발했다.
개발한 방법론을 인과관계 분석에 적용해 본 결과 세포 내 분자들의 상호작용, 생태계 네트워크, 기상 시스템 등 다양한 분야의 데이터에서 기존 방법론에 비해 월등한 성능을 보여줬다. 특히, 동시성 및 간접적인 영향을 가지는 시계열 데이터에서도 인과관계를 성공적으로 추론했다. 연구진은 GOBI를 통해서 여러 오염 물질 중 이산화질소와 호흡기로 유입되는 부유 미립자(직경 10㎛ 이하의 입자)가 심혈관계 질환에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다.
김재경 교수는 “수학과 통계를 결합하여 정확하면서도 다양한 시스템에 유연하게 적용할 수 있는 새로운 인과관계 추정 방법론을 개발했다”며 “사회 및 자연과학 분야에 걸쳐 두루 사용되는 인과관계 추정 연구에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 예상된다”고 말했다.
연구결과는 7월 24일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.694)’ 온라인판에 실렸으며, 우리 대학 박세호 학사과정(제1저자)과 하석민 학사과정(제2저자)이 참여했다.
2023.07.26
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