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빅데이터로 인간의 창의성·혁신성을 계산하다
우리 대학 문화기술대학원의 박주용 교수 연구팀이 네트워크 과학과 빅데이터에 기반해 인간의 문화⋅예술 창작물의 혁신성과 영향력을 계산하는 이론물리학 알고리즘을 개발했다.
연구팀은 이 알고리즘을 통해 클래식 음악가들의 창작물의 창의성, 혁신성을 계산함으로써 음악의 발전에 베토벤이 끼친 영향력을 수치적으로 규명하고, 후기 낭만파 시대의 거장인 세르게이 라흐마니노프가 끊임없이 혁신을 시도한 대표적 예술가임을 밝혀냈다.
연구팀의 알고리즘은 예술 작품의 빅데이터로부터 창의성을 직접 계산함으로써 빠르게 증가하고 있는 창작 콘텐츠의 우수성을 효율적으로 판단할 수 있을 것으로 기대된다.
박도흠 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 스프링어-네이처(Springer Nature) 그룹의 데이터 과학 전문 학술지인 ‘EPJ 데이터 사이언스(EPJ Data Science)’ 1월 30일 자 온라인판에 게제됐다. (논문명: Probabilistic Influence Networks and Quantifying Patterns of Advances in Works)
인간 고유의 영역으로 알려진 문화예술 창작에서도 인공지능 등의 컴퓨터 알고리즘이 널리 활용되며 예술 작품의 창의성을 과학적으로 평가하는 방법의 필요성이 커지고 있다.
그동안 인간 창의성의 산물인 문화예술은 수치적인 평가가 어려워 인공지능을 한 단계 발전시킨 ‘인공창의성’ 연구에 큰 장벽이 되어왔다. 개별 창작품들에 대한 사람들의 심리적 반응을 측정하는 시도는 종종 있었지만, 대규모의 객관적 실험을 수행하기에는 한계가 있다.
위와 같은 문제 해결을 위해 창작품 자체를 빅데이터화 한 뒤 그로부터 창의성을 평가하는 과학적 방법론 개발의 필요성이 커지고 있다.
연구팀은 1700년~1900년 사이에 작곡된 서양 피아노 악보로부터 동시에 연주되는 음정으로 만들어진 ‘코드워드(codeword)’를 추출하고 이론물리학의 한 분야인 네트워크 과학을 적용했다.
그리고 난 뒤 작품들 사이의 유사도를 측정해 작품들이 서로 얼마나 영향을 주고받았는지를 나타내는 네트워크를 만들어 각 작품이 얼마나 혁신적인지, 또한 후대의 작품에 얼마나 큰 영향을 끼쳤는지를 통해 창의성을 평가했다.
연구팀은 현대에도 큰 영향을 끼치고 있는 핵심적 음악 스타일이 확립된 200년에 걸쳐 음악 창작의 패러다임이 어떻게 변화해왔는지 이해했다고 밝혔다.
이 연구에서는 바로크⋅고전기(1710-1800년)의 대표 작곡가인 핸델과 하이든, 모차르트를 거쳐 고전-낭만 전환기(1800-1820년) 이후 베토벤이 최고의 영향력을 가진 작곡자로 떠오르고, 베토벤의 영향을 받아 리스트와 쇼팽 등 낭만기(1820-1910년)의 거장들이 등장하는 과정을 규명하였다. 올해로 탄생 250주년을 맞은 베토벤은 사후에도 100년 가까이 최고의 영향력을 유지한 것으로 밝혀졌다.
또한, 연구팀은 후기 낭만파의 거장인 라흐마니노프가 과거의 관습은 물론 자신의 작품으로부터 차별화를 끊임없이 시도한 최고의 혁신적 작곡가였음을 밝혀냈다.
코드워드에 기반한 네트워크로부터 음악의 창의성을 계산해내는 이 알고리즘은 낱말, 문장, 색상, 무늬 등으로 만들어진 문학 작품이나 그림, 건축, 디자인 등의 시각 예술의 창의성 연구에도 적용할 수 있을 것으로 보인다.
박주용 교수는 “문화예술 창작물의 과학적 연구에 장벽이 되어온 창의성 평가라는 난제를 네트워크 과학과 빅데이터를 활용해 해결할 수 있음을 보였다”라며 “특히 문화예술 창작 영역에서 컴퓨터의 활약이 커지는 상황에서 인간의 단순 계산력만을 따라하는 인공지능의 한계를 극복함으로써, 인간 창의성과 미적 감각의 잠재력을 극대화하는 인공창의성 발전에 큰 도움이 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 국제연구네트워크(GRN)와 한국사회과학연구지원(SSK) 사업, BK21 플러스사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1.시대별 작곡가들 사이의 영향력을 나타내는 네트워크
그림2. 연도별 대표적 작곡가들의 영향력 변천사
2020.02.04
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이성빈 교수, 나노 물결 무늬에서 고차-위상 양자상태 발견
〈 박문집 연구원, 이성빈 교수 〉
우리 대학 물리학과 이성빈 교수 연구팀이 두 겹으로 비스듬하게 겹쳐 있는 뒤틀린 이중 층 그래핀의 무아레 무늬(나노 물결 무늬)에서 새로운 고차-위상학적 양자 상태가 발생한다는 사실을 이론적으로 규명했다.
이번 연구 결과는 뒤틀린 그래핀 이중 층 뿐 아니라 다양하고 복잡한 2차원 물질의 무아레 구조를 연구하는데도 적용할 수 있어 광범위한 응용이 가능할 것으로 기대된다. 특히 국내 물리학에서는 흔하지 않은 이론적 발견과 증명을 했다는 의미가 있다.
박문집 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 11월 22일 자 온라인판에 편집자 추천(editors’ suggestion) 논문으로 선정됐다. (논문명 : Higher-Order Topological Insulator in Twisted Bilayer Graphene)
또한, 매달 전체 물리학계에서 중요하다고 여겨지는 주제를 소개하는 ‘네이처 리뷰 피직스 (Nature Review Physics)’ 연구 하이라이트(research highlight)에 11월 14일 자로 선정되기도 했다. (기사명: Fantastic beasts)
프랑스어로 물결이라는 뜻의 무아레(moiré)는 두 격자구조를 비스듬히 겹쳐 놓았을 때 물결이 일렁이듯이 나타나는 간섭무늬를 말한다. 모기장이 겹쳐 있는 부위에 햇빛이 비치면 물결무늬가 발생하는 것처럼 일상에서도 쉽게 확인할 수 있는 현상이다.
무아레 무늬는 일상생활뿐만 아니라 그래핀과 같은 이차원 나노 물질 두 겹을 비스듬하게 올려놓았을 때도 나타난다. 이때 뒤틀린 그래핀 이중 층에서 나타나는 무아레 무늬는 그래핀 격자의 주기를 수십에서 수만 배까지 증폭시킬 수 있다.
이러한 원리로 뒤틀림 각도에 따라 전기가 흐르지 않는 절연체가 되기도 하고 전기 저항이 아예 없는 초전도체가 되기도 하는 등 물성이 크게 변화할 수 있다. 특히 마법의 각도(magic angle)라고 불리는 1.1도 부근에서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상이 발견돼 이를 설명하기 위한 많은 연구가 진행 중이다.
고차-위상학적 절연체 상태는 새롭게 발견된 위상학적 절연체 중 하나이다. 기존 위상 절연체는 원래 물질보다 한 차원 낮은 경계면이 금속성을 띠는 특성을 갖지만, 고차-위상 절연체는 두 차원 낮은 경계가 금속성을 갖는다.
2차원 표면(surface) 물질을 예로 들면 위상 절연체의 경우 1차원 모서리(edge)에서 금속성을 확인할 수 있다면 고차-위상 절연체에서는 두 차원 낮은 0차원의 특정 끝부분(corner)에서 전자 상태가 된다.
이 2차원 물질 고차-위상학적 절연체의 존재는 아직 실험적으로 증명된 적이 없어 이 물질을 찾기 위한 연구들이 많은 관심을 받고 있다.
그러나 뒤틀린 그래핀 이중 층에서는 이러한 2차원 물질의 위상학적 양자 상태를 설명하기 위한 명확한 이론이 존재하지 않았다. 이는 뒤틀린 그래핀 이중 층에서 나타나는 무아레 무늬의 단위 격자당 탄소 원자의 개수가 수천에서 수만 개에 달해 전자의 움직임을 풀기에는 너무 복잡하기 때문이다.
이러한 탄소 기반의 전자 구조를 이론적으로 정확히 기술하기 위해서는 매우 큰 전산 능력의 대용량 컴퓨터를 이용하거나 특수한 상황으로 가정해 적용하는 근사방법들에 의존해야만 했다.
문제해결을 위해 이 교수 연구팀은 근사방법이 아닌 그래핀 이중 층의 무아레 무늬에서 나타나는 탄소 구조가 뒤틀림 각도에 상관없이 항상 일정한 몇 가지의 정확한 공간 대칭성을 가진다는 점을 이용했다. 이를 통해 뒤틀림 각도에 상관없이 이중 층 그래핀이 절연체라면, 이 이중 층 그래핀은 반드시 고차-위상학적 절연체 상태여야 한다는 사실을 이론적으로 규명했다.
이는 그래핀 이중 층이 가지는 회전 대칭성과 무아레 대칭 이동성이 뒤틀림 각도에 상관없이 항상 성립하는 것을 활용하는 원리이다. 연구팀의 이번 발견은 어떠한 근사방법에도 의존하지 않고 규명했다는 의의가 있다.
박문집 연구원은 “격자구조의 대칭성만을 이용해 이중 층 그래핀의 위상학적 특성을 정확하게 이론적으로 기술했다는 의의가 있다”라며 “뒤틀린 그래핀 이중 층이 이차원 고차-위상학적 절연체의 새로운 후보가 될 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 스타트업 펀딩, BK21, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 뒤틀어진 그래핀 이중층의 모서리에서 나타나는 고차 위상학적 양자상
그림2. 두 층의 뒤틀어진 벌집모양 격자에서 나타나는 무아레 무늬
2019.12.04
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박오옥 교수, 포도당 기반의 그래핀 양자점 합성 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 박오옥 교수 연구팀이 포도당을 기반으로 한 그래핀 양자점의 합성 기술을 개발해, 이를 이용해 안정적인 청색 빛을 내는 그래핀 양자점 발광소자를 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 위 그래핀 양자점을 발광체로 응용해 디스플레이를 제작했고, 현 디스플레이 분야의 난제인 청색 발광을 구현하면서 안정적인 전압 범위에서 발광하는 것을 확인했다.
이석환 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 7월 5일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Synthesis of Single-Crystalline Hexagonal Graphene Quantum Dots from Solution Chemistry)
그래핀은 우수한 열, 전기 전도도와 투명도를 가져 차세대 전자재료로 주목받고 있지만, 단층 및 다층 그래핀은 도체의 특성을 가져 반도체로 적용하기 어려운 단점이 있다. 그러나 그래핀을 작은 나노 크기로 줄이게 되면 반도체의 특성인 밴드갭을 가져 발광특성을 보이게 돼 활용할 수 있게 된다. 이를 그래핀 양자점이라 한다.
기존 단결정 그래핀은 구리-니켈 기반 금속 박막 위에 화학 기상 증착법(CVD)을 이용하거나 흑연을 물리·화학적 방법으로 벗겨내는 기술로 만들었다. 물리·화학적 방법으로 제작한 그래핀은 결함이 매우 많아 순수한 단결정의 특성을 가지지 못하는 단점이 있었다.
연구팀이 개발한 그래핀 양자점은 기존과는 매우 다른 우수한 합성 과정을 보였다. 포도당 수용액에 아민과 초산을 일정 비율로 혼합해 반응 중간체를 형성하고 이를 안정적인 용액으로 구현했다.
이후 형성된 중간체의 자가조립을 유도해 단결정의 그래핀 양자점을 용액상으로 합성하는 데 성공했다. 연구팀은 이 과정에서 기존의 복잡한 분리 정제법을 개선한 저온 침전 분리법을 개발했다.
연구팀의 이번 합성 기술은 단일상(single phase) 반응을 통해 균일한 핵 성장(homogeneous nucleation)반응을 최초로 유도했다는 의의가 있다.
박 교수 연구팀은 이번 연구를 통해서 수 나노미터에서 100 나노미터 수준의 단결정 크기를 원하는 대로 조절 가능한 용액상 합성 기술을 개발했다.
박오옥 교수는 “최초로 개발된 단결정 그래핀 양자점 용액 합성법은 그래핀의 다양한 분야 접목에 크게 기여할 것이다”라며 “이를 잘 응용하면 유연 디스플레이 또는 베리스터와 같은 반도체 성질을 갖는 그래핀의 역할이 제시될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 고려대학교 화공생명공학과 임상혁 교수 연구팀과 공동으로 진행됐으며, 한국과학연구재단의 나노원천 과제, 한국전자통신연구원의 나노물질 기술 연구 과제, KAIST EEWS 과제, 대한민국 정부 BK21+ 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 용액 화학으로 합성된 잘 정렬된 다양한 크기의 단결정 그래핀 양자점
2019.07.30
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김용관 박사, BK21 사업 20주년 기념행사에서 3D 스케칭 공연 선보여
〈 김용관 박사의 3D 스케칭 시연 장면 〉
우리 대학 산업디자인학과 김용관 박사가 지난 6월 28일 서울 코엑스에서 열린 BK21 사업 20주년 기념 심포지엄 개막 무대에서 3D 스케칭 공연을 선보였다.
이날 공연은 유은혜 사회부총리 겸 교육부 장관을 비롯한 1천여 명의 정부 및 대학 관계자 앞에서 비상(飛上)이라는 제목으로 15분간 진행됐다. 김용관 박사는 디지털 펜과 태블릿을 이용해 다양한 3차원 형상의 비행기가 줄지어 날아오르는 장면을 연출해 20년 역사의 BK21 사업을 발판 삼아 앞으로 나아가는 대한민국 인재들의 미래를 표현했다.
현장에서 김용관 박사는 “BK21 사업의 지원으로 국내외 많은 산업 및 학계 종사자에게 최신 연구 성과를 적극적으로 홍보할 수 있었다”라며 “앞으로도 후배 연구자들에게 많은 도움 부탁드린다”고 말했다.
현재 KAIST 산업디자인학과 스케치랩(배석형 교수)에서 박사후연구원으로 재직 중인 김용관 박사는 2017년 손 자세 정보를 3D 스케칭에 활용하는 융합적 연구 성과를 인정받아 BK21 사업의 우수 연구 인력으로 부총리 표창을 받았다.
김용관 박사는 작년 8월 산업디자인학과에서 박사학위를 취득했으며, 같은 해 손 움직임 정보를 결합한 쾌속 3D 스케칭 기술로 ACM CHI 국제학술대회에서 최우수논문상을 수상한 바 있다.
2019.07.08
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이재우 교수, 수소-천연가스 기반 하이드레이트 개발
우리 대학 생명화학공학과 이재우 교수 연구팀이 고온, 저압 조건에서도 수소를 안정적으로 하이드레이트에 저장할 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀의 기술은 천연가스를 열역학적 촉진제로 사용하는 방식으로 수소-천연가스 하이드레이트는 에너지 가스 저장에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
안윤호 박사가 1 저자로 참여하고 생명화학공학과 이 흔 교수, 고동연 교수, GIST 지구환경공학부 박영준 교수팀과 공동으로 연구한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’ 6월 6일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : One-step formation of hydrogen clusters in clathrate hydrates stabilized via natural gas blending)
유럽 등에서는 대기 중 이산화탄소의 농도를 줄이기 위해 천연가스에 수소를 일부 혼합해 사용하는 대체 연료 시스템을 개발하고 있다. 불타는 얼음이라고 알려진 가스 하이드레이트는 물로 이루어진 친환경적인 물질임과 동시에 폭발 위험이 없어 현재의 탄소 경제 시대와 도래할 수소 경제 시대의 전환점에서 중요한 에너지 가스 저장 매체로 활용될 수 있다.
수소를 하이드레이트에 저장하기 위해 기존에 사용되던 테트라하이드로퓨란과 같은 유기 화합물 기반 열역학적 안정제는 휘발성이 강해 하이드레이트 해리 후에 가스상에 남아 있어 별도의 분리 공정이 필요하고, 수소가 저장될 수 있는 하이드레이트 동공을 차지해 하이드레이트 내의 에너지 저장 밀도를 낮추는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 하이드레이트를 튜닝해 하이드레이트의 동공 중 일부를 비우고 하나의 동공에 여러 개의 수소분자를 저장하려는 노력 등이 있었지만 여전히 유기 화합물 기반의 열역학적 안정제가 필요하다는 문제가 있었다.
연구팀은 천연가스의 주성분인 메탄과 에탄의 하이드레이트 상의 평형 조건이 수소에 비해 낮은 점에 주목해 메탄과 에탄을 열역학적 촉진제로 사용했다. 그 결과 수소-천연가스 혼합물을 하이드레이트에 안정적으로 저장하는 데 성공했다.
메탄과 에탄의 구성 비율에 따라 구조 I 또는 구조 II 하이드레이트가 형성될 수 있는데 두 구조 모두 저압 조건에서도 수소-천연가스가 안정적으로 저장됨을 확인했다.
연구팀은 얼음으로부터 직접 하이드레이트를 만드는 방법과 객체 치환법(용어설명)을 이용해 수소-천연가스 하이드레이트를 제작했고, 수소가 처음부터 하이드레이트 형성에 참여할 때만 두 구조의 하이드레이트에서 모두 튜닝 현상이 일어나는 것을 관찰하는 데 성공했다.
연구팀은 튜닝된 구조 I 하이드레이트에서는 작은 동공에만 2개의 수소가 저장되는 반면 튜닝된 구조 II 하이드레이트에서는 작은 동공뿐 아니라 큰 동공에서도 최대 3개의 수소분자가 저장될 수 있음을 확인했다.
하이드레이트는 부피의 약 170배에 달하는 가스를 저장할 수 있는 특성을 가지며, 연구에서 사용한 열역학적 촉진제인 천연가스는 그 자체로 에너지원으로 활용될 수 있어 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
1 저자인 안윤호 박사는 “기존의 열역학적 촉진제들과는 달리 하이드레이트에 저장된 모든 물질을 에너지원으로 사용할 수 있다는 의의가 있다”라고 말했다.
이재우 교수는 “수소-천연가스 혼합 연료는 기존의 천연가스 운송 인프라를 그대로 활용해 보급 및 이용될 수 있다는 점에서 연구팀의 수소-천연가스 하이드레이트 시스템은 상용화 가능성이 크다”라며 “에너지 가스가 열역학적 안정제로 사용될 가능성을 처음 확인한 만큼, 하이드레이트 내의 가스 저장량을 늘리기 위해 추가적인 연구를 진행 중이다”라고 말했다.
이번 연구는 연구재단의 중견 연구자 지원사업과 BK21 plus 프로그램을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 객체 치환법을 이용하여 천연가스 하이드레이트에 수소를 저장하는 방법과 얼음으로부터 직접 수소-천연가스 하이드레이트를 저장하는 방법
2019.06.17
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전성윤 교수, 8시간 안에 항생제 조합 성능 확인하는 기술 개발
〈 김승규 연구원, 전성윤 교수 〉
우리 대학 기계공학과 전성윤 교수 연구팀(바이오미세유체 연구실)이 미세유체 칩을 이용해 두 개의 항생제 간 시너지 효과를 8시간 만에 검사할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구는 항생제의 시너지 효과 검사에 최소 24시간 소요돼 활용이 어려웠던 기존 기술을 크게 개선한 것으로, 향후 환자들에게 적절한 항생제 조합치료를 할 수 있는 기반 기술이 될 것으로 기대된다.
김승규 석박사통합과정이 1 저자로 참여하고 생명과학과 정현정 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’ 3월 21일 자 뒤표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : On-chip phenotypic investigation of combinatory antibiotic effects by generating orthogonal concentration gradients, 직교 농도구배 형성을 통한 칩 상 항생제 조합 효과 검사)
항생제에 매우 높은 저항성을 갖는 ‘슈퍼박테리아’의 등장은 세계적으로 병원 및 관련 기관에 큰 위협으로 떠오르고 있다. 지난 2014년에는 세계보건기구(WHO)가 병원균의 항생제에 대한 내성이 심각한 수준에 도달했다고 공식적으로 처음 보고하기도 했다.
이러한 항생제 저항성 병원균을 효과적으로 억제하기 위해 두 종류 이상의 항생제를 섞어 처리하는 ‘항생제 조합 치료’가 주목받고 있지만, 항생제의 종류와 적정한 농도 범위가 큰 영향을 미쳐 정확한 조합을 해야 할뿐더러 치료가 항상 효과적이지는 않다는 문제점이 있다.
따라서 미지의 항생제 저항성 병원균을 대상으로 체외 항생제 조합 검사를 통해 적합한 항생제 조합과 농도 범위를 찾는 것은 매우 중요한 과정이다. 하지만 기존 검사 방식은 항생제 희석 및 샘플 준비 과정이 불편하고 결과 도출까지 24시간 이상이 걸려 대부분 경험적 치료에 의존하고 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 필요한 샘플 양이 수십 마이크로리터에 불과한 미세유체 칩을 이용했다. 머리카락 굵기 수준의 좁은 미세채널에서 유체 흐름을 제어할 수 있는 시스템인 미세유체 칩을 통해 두 개의 항생제 간 농도조합 121개를 단 35분 만에 자동으로 형성했다.
연구팀은 박테리아 샘플을 아가로스 젤과 섞어 미세채널에 주입해 굳힌 뒤 이를 둘러싸는 미세채널들에 각 항생제가 포함된 시약과 항생제가 포함되지 않은 시약을 주입했다.
항생제가 첨가된 채널로부터 항생제가 없는 채널로 항생제 분자들의 확산이 이뤄지고 결국 두 항생제의 조합이 박테리아가 굳혀있는 아가로스 젤에 35분 만에 형성된다. 연구팀은 이후 6시간 동안 억제되는 박테리아의 성장을 현미경을 통해 관찰했다.
연구팀은 서로 다른 항균 원리를 갖는 다섯 종류의 항생제를 두 개씩 조합해 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 대상으로 항생제 조합 효능 검사를 시행했다. 그 결과 항생제 짝에 따라 각기 다른 항균효과를 확인할 수 있었고 검사한 항생제 짝의 시너지 관계를 분류할 수 있었다.
연구팀의 미세유체 칩 기반의 검사 방식은 번거로운 희석과정과 긴 검사 시간으로 인해 불편했던 기존 검사 방식을 크게 개선했다.
이전에도 전 교수 연구팀은 ‘미세유체 칩 기반의 항생제 효능 신속검사 기술’을 개발해 지난 2월 5일 ‘바이오마이크로플루이딕스(Biomicrofluidics)’지에 피처 기사로 게재한 바 있다. 이번 논문은 그 후속 연구로 미세유체 칩이 차세대 약물 검사 플랫폼으로 활용될 가능성을 제시했다는 의의가 있다.
연구책임자인 전 교수는 “미세유체 칩의 약물 검사 플랫폼으로써의 발전 가능성은 무궁무진하다”라며 “개발한 미세유체 칩이 상용화돼 실제 현장에서 항생제 조합치료를 위해 활용되기를 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 EEWS 기후변화연구허브사업과 교육부 이공분야기초연구사업 및 BK21 플러스프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
그림 설명
그림1. Lab on a Chip 표지 이미지
그림2. 본 연구의 미세유체 칩과 분석결과 예시
2019.04.05
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최경철 교수, 자가발전으로 에너지 절약 및 세탁 가능한 입는 디스플레이 개발
〈 (오른쪽 위부터 시계방향으로) 정은교 연구원, 최경철 교수, 전남대 조석호 교수, 전용민 연구원 〉
우리 대학 전기및전자공학부 최경철 교수와 전남대학교 의류학과 조석호 교수 연구팀이 외부 전원 없이 자가발전 되고 세탁이 가능한 디스플레이 모듈 기술을 개발했다.
이번 연구는 기존 플라스틱 기판 웨어러블 전자소자가 아닌 옷감을 직접 기판으로 사용하는 전자소자의 상용화를 앞당길 수 있다는 점, 일상생활에 입는 전자소자가 외부 전원 없이 자가 발전해 에너지를 절약할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
정은교 박사과정과 전용민 연구원이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지&인바이런멘탈 사이언스(Energy and Environmental Science, IF : 30.067)’ 1월 18일 자 온라인판에 게재됐고, 우수성을 인정받아 뒤표지 논문으로 선정됐다.
기존의 섬유형 웨어러블 디스플레이는 주로 디스플레이의 소자 구현에 초점을 맞춰 연구가 이뤄졌다. 이로 인해 소자를 구동하기 위한 별도의 외부 전원이 필요할 뿐 아니라 내구성 또한 부족한 특성을 가져 웨어러블 디스플레이로 응용하기에는 한계가 있다.
고분자 태양전지와 유기 발광 디스플레이 소자는 수분, 산소 등 외부 요인에 매우 취약해 소자를 보호하기 위한 봉지막이 필요하다. 그러나 기존에 개발된 봉지막 기술은 상온에서는 역할을 충분히 수행하지만, 습기가 많은 환경에서는 그 특성을 잃게 된다. 따라서 비 오는 날이나 세탁 이후에도 동작할 수 있어야 하는 착용형 디스플레이에서는 사용이 제한된다.
연구팀은 문제해결을 위해 외부 전원 없이도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 고분자 태양전지(PSC)와 수 밀리와트(milliwatt)로도 동작할 수 있는 유기발광다이오드(OLED)를 옷감 위에 직접 형성하고 그 위에 세탁이 가능한 봉지기술을 적용했다. 이를 통해 전기를 절약하면서도 실제 입을 수 있는 디스플레이 모듈 기술을 개발했다.
연구팀은 원자층 증착법(ALD)과 스핀코팅(spin coating)을 통해 세탁 후에도 특성 변화 없이 소자를 보호할 수 있는 봉지막 기술을 자가발전이 가능한 입는 디스플레이 모듈에 적용했다. 이 봉지막 기술을 통해 세탁 이후나 3mm의 낮은 곡률반경에서도 웨어러블 전자소자들의 성능이 유지되는 것을 증명했다.
연구팀은 일주일마다 세탁 및 기계적인 스트레스를 주입한 뒤 결과를 관찰한 결과 30일 이후 PSC는 초기 대비 98%, OLED는 94%의 특성을 유지함을 확인했다.
최경철 교수는 “기존의 플라스틱 기판 기반의 웨어러블 전자소자 및 디스플레이 연구와 달리 일상생활에 입는 옷감을 기판으로 활용해 세탁이 가능하고 외부 전원 없이 고분자 태양전지로 디스플레이를 구동하는 전자소자 모듈을 구현했다”라며 “태양에너지를 이용해 자가 구동 및 세탁이 가능한, 전기 충전이 필요 없는 진정한 의미의 입을 수 있는 디스플레이 기술 시대를 열었다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업과 교육부 BK21 지원사업으로 수행됐으며, 이번 연구 성과로 1 저자인 정은교 연구원은 BK21 우수인력으로 사회부총리 겸 교육부장관 표창을 받는다.
□ 그림 설명
그림1. 표지논문 이미지
그림2. 세탁 가능한 입는 디스플레이 모듈 모식도 및 구동 사진
2019.03.21
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우리 대학 박사 4명, BK21 플러스 우수연구인력 표창 수상
우리 대학 김용관, 김형준, 이동영, 임남빈 4명의 박사가 지난 8일 서울 아모리스 메리츠타워에서 열린 BK21 플러스 우수연구인력 시상식에서 표창을 수상했다.
교육부와 한국연구재단이 주관한 이번 행사는 BK21 플러스 사업에 참여하는 대학원생, 신진연구인력 중 탁월한 연구 성과를 거두고 발전가능성이 높은 인재를 발굴 및 격려하고자 마련됐다.
이번 표창은 BK21 플러스 사업에 참여하는 총 545개 사업단에게 추천받은 대학원생 및 신진연구인력 185명을 대상으로 표창심사위원회 및 인터넷 공개검증을 거쳐 최종 30명에게 주어진다.
수상자는 30인은 전원 순수 국내파 학생으로 구성됐다. 이들은 네이처 등 세계적 저널에 제1저자로 논문을 발표하고 국제 저명 학자와의 교류 및 공동 연구를 활발히 수행하는 등 각자 연구영역을 확장하고 있다.
특히 KAIST 가치창조 기계사업단의 이동영 박사는 30명의 수상자 중 3명의 대표로 뽑혀 소감 등을 발표했다. 이 박사는 박사 후 과정 중 개발한 ‘소프트 레이어 공법’의 성능과 시장성을 인정받아 ICCS에서 최우수논문으로 선정되고 2건의 기술이전도 성공했다.
다중스케일 생명화학공학 사업단의 김형준 박사는 나노 레터스지에 논문을 게재했고, ‘막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지’ 등 특허 3건을 등록했다.
바이오의료기술융복합사업단의 임남빈 박사는 EXPLOR(Exosomes for protein loading via optically reversible protein-protein interaction) 기술을 개발해 6건의 특허를 출원했다.
디자인 3.0사업단: Big, Deep, Open의 김용관 박사는 ACM UST에서 논문을 발표하고 국제 학회에서 최우수 논문포스터 2등상을 수상하는 등 국내외로 활발한 활동을 하고 있다.
2017.03.10
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BK21 플러스 우수사업단에 2개 KAIST 사업단 선정
BK21 플러스 우수사업단에 우리 대학의 다중스케일 생명화학공학 사업단(단장 이재형)과 디자인 3.0 사업단 : Big, Deep, Open(단장 이건표)이 각각 선정됐다.
한국연구재단은 지난 17일 서울 엘타워에서 이 같은 내용의‘BK21플러스 우수사업단(팀) 표창 시상식 및 사례발표회’를 가졌다.
[사진설명] 17일 시상식에 참석한 이건표 단장(앞줄 오른쪽부터 세 번째)과 이재형 단장(세 번째 줄 왼쪽에서 두 번째)
이번 행사는 BK21플러스 사업 중간평가 대상 기존 사업단(팀) 중 교육·연구 부문 등에 탁월한 성과를 보인 사업단(팀)에 대한 사기를 진작시키고, 우수 사례를 공유·확산하는 기회를 마련하고자 진행됐다.
총 544개 사업단(팀) 중 11개 분야 26개 사업단(팀)이 선정됐으며, 우리 대학에서는 공학 분야와 디자인영상 분야가 각각 선정됐다.
시상식과 함께 4개 사업단의 우수사례 발표가 있었는데, 우리대학은 디자인 3.0 사업단이 발표에도 참여했다.
‘디자인 3.0 사업단’은 네덜란드 델프트공대의 디자인 포 인터랙션(DfI)학과와 조인트 마스터 학위 프로그램 운영을 비롯해 영국 왕립 예술 대학(Royal College of Art)의 이노베이션 디자인 엔지니어링 학과, 미국 신시내티 대학교의 디자인 • 건축 • 예술 • 기획 (DAAP) 프로그램과 교육연계프로그램을 실시하고 있다. 또 사업단 소속의 산업디자인학과는 글로벌 랭킹 전문 사이트 `랭커닷컴(Ranker.com)` 에서 실시한 2015년도 `세계 최우수 디자인 교육기관 부문(World Best Design Schools)` 순위 투표에서 23위에 선정됐다.
‘다중 스케일 생명화학공학 사업단’은 세계 최정상급 대학인 MIT, Georgia Tech, University of Texas at Austin, UC Santa Barbara 생명화학공학과(화학공학과)의 교육 프로그램을 비교·분석하고, 한국의 교육환경과 실정에 맞도록 조율하여 적용해 독창적이고 선도적인 교육·연구 프로그램을 운영 중에 있다. 2015 QS 세계대학 학과평가에서 '화학공학분야' 17위를 차지해 국내 1위를 차지하는 등 세계 저명대학과 대등한 위치를 차지하고 있다. 끝.
2016.06.20
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기체가 저장물질에 흡착되는 과정 관찰
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수와 오사무 테라사키 공동 연구팀이 2~5 나노미터(10억분의 1m) 크기의 구멍을 갖는 메조다공성 금속유기골격체(metal organic framework, MOF) 안에 기체가 흡착되는 과정을 관찰하는 데 성공했다.
관찰 과정에서 기체들이 각자의 기공에 일정하지 않은 각기 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 이는 기존의 학설과 반대되는 개념으로 금속유기골격체에서 기체가 초격자 구조를 형성한다는 사실을 최초로 발견한 것이다.
이번 연구는 국제 과학 학술지 ‘네이처’ 11월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
메조다공성 금속유기골격체는 넓은 비표면적을 갖고 있어 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 가스 저장에 용이한 저장물질이다. 효율적인 가스 저장을 위해서는 기체가 저장물질에 어떻게 흡착하는지 이해하는 것이 중요하다.
그러나 일반적인 기체 흡착 측정 장비의 경우에는 흡착 거동을 직접적으로 관찰할 수 없다는 한계가 있었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 기존에 존재하는 두 개의 장비를 이용했다. 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 소각산란(small angle X-ray scattering, SAXS) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합했다.
두 장비가 결합된 실시간 기체 흡착 SAXS 시스템을 개발해 메조다공성 금속유기골격체의 결정에 기체가 흡착하는 과정을 실시간으로 관찰했다.
연구팀은 관찰 과정에서 금속유기골격체의 모든 기공에 기체가 균일하게 흡착되지 않고 각자 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 그리고 압력이 증가하면서 급격하게 초격자 구조로 변이된 후 서서히 균일하게 분포하는 것 또한 확인했다.
이는 모든 기공에 균일하게 기체가 들어간다는 학설을 뒤집는 발견이다. 이것이 가능했던 이유는 메조다공성 금속유기골격체의 경우 골격이 얇고 기공이 커 다른 구멍의 기체분자끼리도 상호작용하기 때문에 발생하는 현상이다.
따라서 메조다공성 금속유기골격체를 사용한다면 기존 저장물질에 비해 더 적은 용량으로 더 많은 가스를 저장할 수 있는 고효율 저장장치를 개발할 수 있게 된다.
이 기술을 기반으로 새로운 고용량 가스저장 물질의 제작이 가능해짐으로써, 여러 운송수단이나 가스를 사용하는 기계의 성능을 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.
연구를 주도한 조해성 박사는 “단일 기공 내부의 기체 분자 뿐 아니라 다른 기공의 기체 분자 간 상호작용에 의해 기체의 흡착 메커니즘이 발생함을 새롭게 발견했다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업, 인공광합성사업, BK21PLUS의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 실시간 기체흡착 SAXS 시스템 모식도
그림2. 메조다공성 MOF 결정에 기체가 흡착되는 과정
그림3. 메조다공성 MOF 결정에서 기체분자의 상호작용 모델
2015.11.11
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이재형 교수, ‘화학공학 계산시스템 기술상’ 수상
우리 학교 생명화학공학과 이재형(48) 교수가 미국 화학공학회에서 주관하는 ‘2013 화학공학 계산시스템 기술상(Computing in Chemical Engineering Award)’ 수상자로 선정됐다.
시상식은 오는 11월 샌프란시스코에서 열리는 미국 화학공학회 연례회의에서 개최되며, 수상 기념 강의가 있을 예정이다.
화학공학 계산시스템 기술상은 화학공학 분야에서 컴퓨터 및 시스템 기술을 응용하는 데 크게 기여한 학자에게 매년 수여되는 상으로, 이 교수는 산업 공정에서 한층 향상되고 강건한 모델 예측 제어를 구현하는 새로운 패러다임 등 혁신적인 연구를 수행한 업적을 인정받았다.
이 교수는 현재 생명화학공학과 학과장 및 BK21 화학공학사업단 단장을 역임하고 있다. 1994년 미국 NSF 재단에서 수여하는 ‘젊은 연구자상(Young Investigator Award)’을 수상한바 있으며, 국제전기전자기술자협회(IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers), 국제자동제어연합(IFAC, International Federation of Automatic Control) 학회의 펠로우, 한국과학기술한림원 정회원으로 활동 중이다.
2013.06.18
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입자 물리학 연구소 ‘NPKI’ 발족 워크샵 가져
- 신의 입자 ‘힉스(Higgs)" 추적하는 국내·외 물리학자 대거 참석 -
24일 발족하는 ‘새로운 물리학 한국연구소(이하 NPKI: New Physics at Korea Institute)’가 29일까지 6일간 서울 신라호텔 영빈관 루비홀에서 국내외 물리학자 50여명을 초청해 워크숍을 갖는다.
KAIST 물리학과 최기운 교수의 인사말로 시작되는 이날 행사에서는 ‘거대강입자 가속기시대의 톱 쿼크의 물리학과 전자기 약작용 대칭성 깨짐(Top physics and electroweak symmetry breaking in the LHC era)’을 주제로 세계 각국 물리학자들의 열띤 토론이 펼쳐진다.
NPKI는 자연의 가장 근본적인 원리를 탐구하고, 그 의미를 집중적으로 연구하며, 성과를 일반인은 물론 향후 물리학자를 꿈꾸는 청소년들과 나누기 위해 올해 설립됐다.
NPKI 발족 기념행사의 일환으로 치러지는 이번 워크숍의 국내 조직위원으로는 KAIST 물리학과 최기운 교수, 고등과학원 고병원 교수, 고등과학원 전응진 교수 등이 활동한다.
이밖에 차바 차키(Csaba Csaki) 미국 코넬대 교수, 크리스토프 그로젼(Christophe Grojean) 유럽입자물리연구소(CERN) 교수, 에레즈 에치온(Erez Etzion) 이스라엘 텔아비브대 교수, 졸탄 리게티(Zoltan Ligeti) 미국 버클리대 교수 등 세계적 석학들이 해외 위원으로 참여한다.
워크숍 3일째인 26일 오전에는 신라호텔 파인룸에서 물리학자를 꿈꾸는 중고등학생들 20명을 참가비 없이 선발, 초청해 일일 물리학자 체험프로그램인 ‘씨앗 프로그램(Seeds Program)’을 진행한다.
선발된 학생들은 세계적인 물리학자들이 토론하는 모습을 직접 참관하는 한편 물리학자들의 학문적 일상을 체험하는 기회를 갖는다. 아울러 유럽입자물리연구소 길라드 페레즈 교수의 강연을 듣고 질의 응답하는 시간도 마련했다.
한편, 이번 워크숍은 NPKI가 주관하고 신라호텔, BK21 KAIST Physics, KAIST 물리학과, 서울대학교 물리학과, 고등과학원, 양자시공간연구센터가 후원한다.
2012.02.22
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