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제16회 KAIST 조정훈 학술상에 한국항공우주연구원 조동현 박사
‘제16회 KAIST 조정훈 학술상’수상자로 한국항공우주연구원(KARI) 조동현 박사가 선정됐다.
우리 대학은 조동현 박사 외에 우리 대학 항공우주공학과 윤용태 박사과정, 고려대 기계공학과 이현민 석·박사통합과정, 공주사대부고 임선주 학생 등 3명을 장학생으로 선발하고 이들에게 13일 오전 본관 1층 대회의실에서 장학금을 전달한다고 12일 밝혔다.
조동현 박사는 우주 개발 분야에서 총 6편의 SCI급 논문을 등재했으며, 35편의 학술대회 논문, 40여 건의 국내외 특허를 출원하거나 등록하는 등 다수의 항공우주 분야 연구를 성공적으로 수행한 공로를 인정받았다.
조동현 박사는 지난 2011년부터 우주 파편 충돌위험 종합관리 및 제거 시스템 지상 시험모델 개발 사업을 통해 국내 운용 위성에 대한 우주 파편의 충돌위험을 종합적으로 분석하고 관리하는 KARISMA 소프트웨어를 개발해 운영 중이다. 조 박사는 특히 우주 파편 제거 알고리즘 개발을 위한 지상 시험테스트 베드 구축 및 모델 개발을 통해 향후 위성 도킹 임무 등에 대한 기반 기술시험이 가능토록 했다.
KAIST 조정훈 학술상은 지난 2003년 5월 KAIST 로켓실험실에서 연구를 수행하던 중 불의의 사고로 숨진 故 조정훈 명예박사를 기리기 위해 제정됐다.
이 상은 故 조 박사의 부친인 조동길 교수가 유족보상금과 사재를 합쳐 KAIST에 학술기금으로 기부한 4억 7천 800만 원을 재원으로 만들어졌으며, 2005년부터 매년 항공우주공학 분야에서 뛰어난 연구업적을 이룬 젊은 과학자를 발굴해 시상하고 있다.
우리 대학은 또 이 기금으로 조 박사가 재학했던 KAIST와 고려대, 공주사대부고에서 매년 각 1명씩 장학생을 선발해 장학금을 수여하고 있다. 학술상 수상자에게는 2천500만 원의 상금이, 대학(원)생과 고등학생에게는 각각 400만 원과 300만 원의 장학금이 지급된다.
2020.05.13
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MOSFET보다 빠른 저전력 트랜지스터 개발
우리 대학 물리학과 조성재 교수 연구팀이 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 대비 작동 전력 소모량이 10배 이상 낮고 동작 속도가 2배 이상 빠른 저전력, 고속 터널 트랜지스터를 개발했다. 이제까지 구현된 저전력 트랜지스터 중 MOSFET보다 빠른 트랜지스터의 개발은 최초이다.
조 교수 연구팀은 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 트랜지스터 채널을 구성함으로써 전력소모를 줄이고, 단층 붕화 질소 (hexagonal boron nitride)를 트랜지스터의 drain 접합에 이용해 터널 트랜지스터의 작동 상태 전류를 높이는데 성공했다. 이제까지의 저전력 트랜지스터는 전력 소모는 낮지만, 작동 상태 전류가 기존 MOSFET에 비해 현저히 작아서 작동 속도가 느린 문제점이 있었다.
김성호 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스 (Nano Letters)’ 4월 24일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Monolayer Hexagonal Boron Nitride Tunnel Barrier Contact for Low-Power Black Phosphorus Heterojunction Tunnel Field-Effect Transistors)
트랜지스터의 전력 소모를 감소시키기 위해서는 트랜지스터의 작동 전압과 대기 상태 전류를 동시에 낮추는 것이 필수적이다. 이를 위해서는 subthreshold swing (SS, 전류를 10배 증가시키는데 필요한 전압값, 단위: mV/decade = mV/dec)을 낮추는 것이 필요한데, 기존의 MOSFET은 thermal carrier injection mechanism 때문에 SS 값이 상온에서 60 mV/dec 이하로 낮아질 수 없다는 한계를 지닌다. band-to-band-tunneling을 carrier injection mechanism으로 가지는 터널 트랜지스터는 상온에서 SS 값이 60 mV/dec 미만으로 낮아질 수 있기 때문에 MOSFET을 대체할 수 있는 저전력 소자로 제안되어왔다. 지난 1월 조교수 연구팀은 흑린을 사용하여 60 mV/dec미만의 SS를 가지는 저전력 트랜지스터를 개발하는데 성공하여 Nature Nanotechnology에 결과를 보고하였다. 하지만, 그 결과 또한 여전히 작동 상태 전류, 특히 SS = 60 mV/dec인 지점에서의 전류가 0.6 μA/μm로 MOSFET의 threshold에서의 전류값 1-10μA/μm보다 낮은 한계가 있었다.
조 교수 연구팀은 본 연구에서 단층 붕화 질소를 활용하여 지난 연구의 한계를 극복하고 SS = 60mV/dec 지점에서의 작동 상태 전류를 Nature Nanotechnology에 보고한 저전력 흑린 트랜지스터에서의 결과보다 10배 이상 크고, MOSFET의 threshold에서의 전류값보다도 큰 20 μA/μm을 달성했다. 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 트랜지스터 채널을 구성함으로써 전력소모를 줄이고, 단층 hexagonal boron nitride를 트랜지스터의 drain 접합에 이용해 터널 트랜지스터의 작동 속도를 높이는데 성공하여 저전력 고속 트랜지스터의 구성 요건을 완성했다는 점에서 큰 의의가 있다.
조성재 교수는 “흑린 이종접합 트랜지스터가 기존의 어떤 트랜지스터보다 저전력, 고속으로 작동하는 것을 확인했다. 이는 기존 실리콘 기반의 MOSFET을 대체할 수 있는 새로운 트랜지스터의 가능성을 보여주는 결과이다.”라며 “이번 연구 결과를 바탕으로 기초 반도체 물리학 및 비메모리 반도체 산업에 다양한 응용이 가능할 것으로 기대한다.”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래반도체신소자원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.05.06
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머리에 빛을 비춰 신경세포 재생과 공간기억 향상
뇌질환 상태에서 신경재생으로 일시적인 기억향상이 일어나는 기전이 밝혀졌다.
우리 대학 생명과학과 허원도 교수 연구팀은 머리에 빛을 비춰 뇌신경세포 내 Fas 수용체의 활성을 조절함으로써 신경재생과 공간기억 능력이 향상됨을 보였다.
Fas 수용체는 허혈성 뇌질환, 염증성 뇌질환, 퇴행성 신경질환 등 다양한 대뇌질환에 걸린 경우 발현이 유도되는 단백질이다. 일반적으로는 세포를 죽음에 이르게 하지만, 신경계의 다양한 세포들에서는 세포증식 관련 신호전달 경로를 활성화시켜 세포를 재생시킨다. 특히, 뇌질환에 걸린 경우 대뇌 해마의 신경재생에 Fas 수용체가 관련되어 있다는 사실이 알려져 왔으나, 연구방법의 한계로 세부적인 기전에 대해서는 아직 자세히 알려진 바가 없다. 또한, 질환이 있는 뇌에서 해마가 관장하는 공간기억이 Fas 단백질에 의해 어떻게 영향받는지에 대해서도 논란이 되어 왔다.
연구팀은 광수용체 단백질의 유전자에 Fas 수용체 단백질의 유전자를 결합시킴으로써 청색광을 쬐어주면 Fas 단백질의 활성이 유도되는 옵토파스(OptoFAS) 기술을 개발했다. 살아있는 생쥐 대뇌에 다양한 시간동안 빛을 쬐어주면서 시공간적으로 Fas 수용체 단백질의 활성을 조절함으로써 대뇌 해마에서 여러 신호전달 경로들이 순차적으로 활성화되고, 그 결과로 신경재생과 공간기억 능력이 향상된다는 것을 확인했다.
옵토파스(OptoFAS) 기술은 빛을 이용하여 세포의 기능을 조절하는 광유전학(Optogenetics) 기술이다. 배양시킨 세포나 살아있는 생쥐 머리에 청색광을 쬐어주면 광수용체 단백질 여러 개가 결합되며, 이 단백질 복합체가 하위 신호전달경로들을 활성화시킨다. 생체 내에 광섬유를 삽입하여 원하는 시간에 빛을 뇌 조직 내로 전달하는 방식으로 선택적으로 단백질을 활성화시킬 수 있다.
연구팀은 빛을 이용해 대뇌 해마의 치아이랑에 존재하는 미성숙신경세포에서 옵토파스를 활성화시키고, 빛을 쬐어주는 시간에 따라 미성숙신경세포와 신경줄기세포에서 각각 서로 다른 하위 신호전달경로가 활성화됨을 관찰했다. 또한 이 현상에 특정 뇌유래 신경성장인자가 관여함을 밝혀내었다. 반복적으로 충분한 시간동안 빛을 쬐어주면 해마 치아이랑의 신경줄기세포가 증식하는 성체 신경재생이 관찰되었으며, 실험 대상 쥐에서는 일시적으로 공간기억 능력이 향상됨을 밝혔다.
옵토파스 기술을 이용하면 약물을 처리하거나 유전자변형 쥐를 사용하였을 때 발생하는 여러 부작용이 없이 빛 자극만으로 쥐의 생리현상에 지장을 주지 않으면서 뇌신경세포에서 Fas 단백질의 활성을 실시간으로 조절할 수 있다. 질환이 있는 뇌에서 Fas 단백질이 활성화되어 질병에 맞서 대뇌의 기능을 보호하는 여러 가지 역할을 한다는 사실을 생각해볼 때, 향후 세포 수준을 물론 개체 수준까지 뇌질환 상태에서의 신경행동적인 변화를 규명하는 연구에 활용될 것으로 기대한다.
허원도 교수는 “옵토파스(OptoFAS) 기술을 이용하면 빛만으로 살아있는 개체의 신경세포 내에서 단백질의 활성과 신호전달 경로를 쉽게 조절할 수 있다”며 “이 기술이 뇌인지 과학 연구를 비롯해 향후 대뇌질환 치료제 개발 등에 다양하게 적용되길 바란다”고 말했다.
이번 연구결과는 국제 학술지 사이언스 어드밴시즈(Science Advances, IF 12.80)에 4월 23일 오전 3시(한국시간) 온라인 게재됐다.
2020.04.27
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두뇌 인지 기능 조절하는 신경 펩타이드 발견
우리 대학 생명과학과 이승희 교수 연구팀이 두뇌에 존재하는 신경 펩타이드 중 하나인 소마토스타틴(somatostatin)이 두뇌 인지 기능을 높일 수 있음을 밝혔다.
이 교수 연구팀은 특정 가바(뇌세포 대사 기능을 억제 신경 안정 작용을 하는 신경 전달 억제 물질) 분비 신경 세포에서 분비되는 펩타이드 중 하나인 소마토스태틴이 시각 피질의 정보 처리 과정을 조절하고 높일 수 있음을 규명했다. 이번 연구 성과는 치매 등의 뇌 질환에서 인지 능력 회복을 위한 치료제 개발의 계기가 될 것으로 기대된다.
생명과학과 송유향 박사, 황양선 석사, 바이오및뇌공학과 김관수 박사과정, 서울대학교 의과학대학 이형로 박사과정이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’ 4월 22일 자 온라인판에 게재됐다(논문명 : Somatostatin enhances visual processing and perception by modulating excitatory inputs to the parvalbumin-positive interneurons in V1).
2019년 기준 국내 65세 이상 노인 중 10명 중 1명은 치매 질환을 갖고 있다. 치매는 기억력 손실, 인지 기능 및 운동기능 저하 등의 일상생활 장애를 유발해 그 심각성은 나날이 두드러지고 있다.
이승희 교수 연구팀은 치매의 한 종류인 알츠하이머 질환 환자의 뇌척수액에서 소마토스타틴의 발현율이 현저히 감소했다는 점에 주목해 소마토스타틴에 의한 인지 능력 회복 가능성을 밝히는 연구를 수행했다.
소마토스타틴은 인간을 포함한 포유류의 중추신경계에서 존재한다. 특히 정상적인 포유류의 대뇌 피질에서 소마토스타틴을 발현하는 신경 세포인 가바(GABA, γ-aminobutyric acid)를 신경전달물질로 분비해 흥분성 신경 세포의 활성을 억제함으로써 정보 처리 정도를 조율한다.
그러나 기존 연구는 가바의 효과에만 국한돼, 동시에 분비될 수 있는 신경 펩타이드인 소마토스타틴의 고유한 효과 관련 연구는 부족한 상황이다.
연구팀은 자유롭게 움직이는 실험용 생쥐에서 시각정보 인지 및 식별 능력을 측정할 수 있는 실험 장비를 개발 및 도입했다. 이를 통해 생쥐의 시각피질 또는 뇌척수액에 소마토스타틴을 직접 주입한 후 이를 관찰해 생쥐의 시각정보 인지 능력이 현저히 증가함을 발견했다.
나아가 소마토스타틴의 처리에 따른 생체 내 또는 뇌 절편에서의 신경 세포 간 신경전달 효율의 변화를 측정하고, 해당 신경망을 연속 볼록면 주사전자현미경(SBEM)으로 관찰해 소마토스타틴에 의한 시각인지 기능의 향상이 이루어지는 생체 내 신경 생리적 원리를 규명했다.
이러한 연구 성과는 향후 인간을 비롯한 포유류의 두뇌 인지 기능을 조절 가능할 수 있을 뿐 아니라 퇴행성 뇌 질환 등에서 나타나는 인지 기능 장애 치료에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이승희 교수는 “이번 연구는 두뇌 기능을 높이고, 뇌 질환을 치료할 수 있는 새로운 약물 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.04.23
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코로나19 극복을 위한 실시간 온라인 국제포럼 22일 개최
▣ 글로벌 전략연구소 2020 국제포럼 생중계 채널(22일 오전 9시부터 약 3시간 스트리밍 예정)
① YouTube KAIST 채널: https://www.youtube.com/channel/UC8JOLZ-YA34ylQTz2tqSlGw
② YouTube KTV 채널: https://www.youtube.com/user/chKTV520
③ NAVER TV: https://tv.naver.com/ktv
전 세계를 위협하고 있는 코로나19의 팬데믹(세계적 대유행)을 극복하기 위해 KAIST가 실시간 온라인 국제포럼을 개최한다.
KAIST(총장 신성철)는 오는 22일(수) 오전 9시부터 대전 본원 학술문화관(E9) 5층 정근모 컨퍼런스 홀에서 `글로벌전략연구소(이하 GSI, Global Strategy Institute)-국제포럼 2020(GSI -IF2020)'을 개최한다고 20일 밝혔다.
`코로나19 극복을 위한 글로벌 협력방안'을 주제로 열리는 이 포럼은 방역과 의료의 문제를 넘어 정치·경제·산업 및 교육시스템 전반에 걸쳐 야기된 국제 사회의 위기를 예측하고 이를 효과적으로 극복하기 위해 다방면의 대책과 국제협력 방안을 모색하고자 KAIST가 마련했다.
그동안 코로나19 사태에 관해 많은 논의가 이뤄져 왔지만 국제적인 기업과 단체, 교육기관이 뜻을 합해 `포스트 코로나 시대 이후'의 글로벌 협력방안을 논의하는 것으로는 세계에서 맨 처음 시도되는 사례다. 참가자들의 안전을 위해 온라인 플랫폼에서 발표와 토론이 진행되며 유튜브 스트리밍 실시간 중계 등을 통해 전 세계에 생중계될 예정이다.
현재 전 세계는 코로나19의 창궐로 인해 지역의 구분 없이 감염자와 사망자가 속출하는 심각한 위기에 봉착해 있다. 특히, 감염병 확산에 있어 신종플루나 메르스 등과는 확연하게 다른 형태를 보인 탓에 사회 전반으로 감염 공포증이 퍼져갔으며, 이로 인해 우리의 생활은 언택트(비대면) 체계로 급속하게 전환돼 가고 있다.
재택근무·온라인 교육·온라인 유통·기호성 소비 감소·노년층의 온라인 활동 증가 등으로 대표되는 이 현상은 전 세계적으로 정치·경제·사회·산업·교육·보건·의료 분야뿐만 아니라 인류가 영위해온 일상생활을 크고 깊게 변화시키고 있다.
그러나, 코로나19를 극복하기 위한 백신이나 치료제 개발에는 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상되는 등 의료나 과학기술을 통한 확실한 해결책은 아직까진 제시되지 않고 있다.
여기에 더해 세계 각국은 정치적인 이해관계와 의료 수준·경제 상황에 따라 각기 다른 정책을 내놓고 있다. 또한, 의료 약품·부품·기기 등에 대해 수출 금지를 포함하는 제한 정책까지 등장할 만큼 자국민 보호를 명분으로 한 자국 이해주의가 날로 확산되고 있다.
이런 상황일수록 코로나19 사태의 극복을 국제 협력과 공조가 무엇보다도 중요하게 대두되어야 하지만 현재까지는 심도 있는 토론과 정책 제시가 여전히 이뤄지지 않고 있다.
KAIST GSI와 세계경제포럼(이하 WEF) 한국4차산업혁명정책센터(이하 한국 4IR정책센터)가 공동주최하는 이번 포럼은 코로나19가 촉발시킨 다양한 변화에 대한 이해를 바탕으로 논의를 진행하기 위해 세계 각국의 전문가들을 연사로 초청했다.
신성철 총장은 개회사에서 "이번 코로나19 사태는 전 세계가 초연결(Hyperconnectivity) 사회로 밀접하게 이어져 있다는 사실을 다시 한번 극명하게 확인한 계기가 됐다ˮ고 강조하면서 "과학기술 기반의 국제 공조와 협력만이 글로벌 위기를 극복할 수 있는 돌파구를 만들 수 있으며, 이를 위해 KAIST가 지닌 모든 역량과 자원을 아낌없이 투입해 전 세계가 정치·사회·경제적으로 새로운 표준(new norm)을 구축하는데 기여할 것ˮ이라는 메시지를 국제 사회에 전달할 예정이다.
정세균 국무총리는 축사를 통해 `우리 정부의 투명성·개방성·민주적 절차의 기본 원칙에 기반한 방역 대책 성공 사례'를 소개한다. 정부의 경험을 공유해 코로나19로 고통을 겪는 국가들이 어려움을 극복할 수 있도록 돕는 것이 세계적인 위기 상황에서 대한민국이 할 수 있는 국가 차원의 기여라는 점을 강조할 예정이다.
KAIST GSI 소장을 맡고 있는 김정호 교수(전기및전자공학부)는 "코로나19로 인해 발생한 전 세계의 사회·경제적 파장에 대해 통찰하고, 앞으로 전개될 미래를 예측하기 위해 마련한 자리ˮ라고 이번 포럼의 개최 배경에 관해 설명했다.
김 교수는 이어 "백신과 치료제의 개발뿐만 아니라 인공지능 기술 등 과학기술적 접근법을 다 같이 모색하고 코로나19 극복을 위한 국제 협력 방안이 다방면으로 제시될 것ˮ이라고 밝혔다.
`코로나19 극복을 위한 글로벌 협력방안'을 본격적으로 다룰 기조연설에는 총 다섯 명의 연사가 발제자로 나선다.
아하누 베흐나흐(Arnaud Bernaert) WEF 세계건강보건부문장은 이번 감염병 사태의 극복을 목적으로 새롭게 출범한 WEF의 `코로나19 행동 플랫폼(COVID Action Platform)에 대해 소개한다. WEF를 주축으로 국가·기관·기업들의 글로벌 협력방안과 전략을 제시하고 이를 통해 전례 없는 위기 사태를 극복해나갈 방안을 제안할 예정이다.
이어, 제롬 김(Jerome H. Kim) 국제백신연구소 사무총장은 `코로나19 백신 개발(Vaccine Development for SARS-CoV-2)'을 주제로 새로운 감염병이 발생했을 때 바이러스의 특성과 실재하는 위협을 신속하게 파악하고 관련 백신과 치료제 개발 기간을 단축할 수 있는 글로벌 차원의 상시적인 지원 체계 구축에 대해 발표한다.
또한, 교육 분야의 발제자로 나서는 알렉산드로 파파스피리디스(Alexandros Papaspyridis) 미국 MS社의 고등교육산업솔루션 이사는 `뉴노멀의 준비(There is no turning back: preparing for the new normal)'에 관해 강연을 펼친다.
파파스피리디스 이사는 온라인 교육 체제의 전면 도입 등 코로나19 사태가 촉발시킨 전 세계 교육 분야의 변화를 소개하고 이후에 도래할 뉴노멀 시대를 위한 고등교육산업 솔루션과 AI 기반 고등교육 디지털 혁신 사례 적용 등 향후 추진해야 할 교육 혁신 전략을 소개한다.
이 밖에 용홍택 과학기술정보통신부 연구개발정책실장과 최윤재 KAIST AI 대학원 교수가 각각 `한국의 코로나19 대응 현황과 국제협력 방향'과 `코로나19와 AI: KAIST의 현재 연구'를 주제로 강연을 이어갈 예정이다.
이어지는 패널 토론은 두 개의 주제로 나뉘어 진행된다. `경제 위기와 교육 변화의 영향(Impact of Economy Crisis and Education Changes)'을 다루는 첫 번째 토론에서는 미국의 대표적인 싱크탱크인 브루킹스연구소(Brookings Institution)의 레베카 윈스럽(Rebecca Winthrop) 유니버설교육센터 공동소장과 데이비드 달러(David Dollar) 선임 펠로우, 나영선 한국직업능력개발원장, 서중해 한국개발원 경제정보센터 소장 등이 참여해 의견을 교환할 예정이다.
두 번째 토론에서는 `의료 건강관리, 인공지능, IT기술의 역할(Role of Medical Healthcare, AI and IT Technologies)'을 주제로 다룬다. 이를 위해 류왕식 한국파스퇴르연구 소장, 크리스틴 백(Kristen Beck) IBM 연구원, 신진우 KAIST AI 대학원 교수 등이 심도 있는 토론을 진행할 계획이다.
이번 포럼은 `유튜브 KAIST 채널'과 `유튜브 KTV 채널'에서 실시간 중계되며 NaverTV에서도 온라인으로 방송된다. 해당 매체를 통해 누구나 방청할 수 있고 KAIST 홈페이지와 SNS를 통해 생중계 채널의 주소를 확인할 수 있다. 또한, 글로벌 포럼의 특성상 영어로 진행되기 때문에 동시통역 자막이 제공된다.
한편, 이번 포럼을 주관하는 KAIST의 글로벌전략연구소(Global Strategy Institute)는 과학기술 전문지식을 기반으로 하는 전 세계 및 국가적 문제에 대한 통찰력을 제공하는 KAIST의 싱크탱크 조직으로 올 2월 설치됐다.
2020.04.20
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실시간 영상 전송 보안 기술 개발
전산학부 김명철 교수 연구팀이 웹캠, 영상 드론, CCTV, 증강현실(AR), 가상현실(VR) 등에 사용하는 영상 전송 장비용 실시간 영상 암호화 및 전산 자원(CPU, 배터리 등) 소모 저감 기술을 개발했다.
연구팀의 실시간 영상 전송 보안기술은 비디오 코덱 종류에 상관없이 적용될 수 있는 범용성을 가질 뿐 아니라 영상전송기기의 CPU나 배터리를 최대 50%까지 절약하면서도 최고 수준의 보안성능을 제공하는 결과를 보였다.
고경민 박사 주도로 개발된 이번 연구결과는 보안 분야의 국제 학술지 IEEE TDSC(Transactions on Dependable and Secure Computing) 3월 13일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Secure video transmission framework for battery-powered video devices) 또한, 국내 특허로 등록, 미국특허로 출원돼 2차 심사가 진행 중이다. (국내특허명: 통신 시스템의 암호화 패킷 전송 방법)
기존 실시간 영상 전송 보안기술은 촬영한 모든 영상을 암호화해 전송하거나 비디오 데이터 식별 없이 무작위로 암호화하기 때문에 전산 자원이 제한된 상황에서 적용하기에는 한계가 있다. 문제 해결을 위해 연구팀은 새로운 실시간 영상 암호화 및 배터리 소모 저감 기술을 개발했다. 이 기술은 영상전송 장비에서 동작하는 자원 모니터링 결과에 따라 카메라로 촬영한 영상을 구성하는 비디오 데이터를 데이터중요도 관점에서 선별적으로 암호화 전송을 수행한다.
암호화 전송 시에는 영상 송신 장비의 가용자원량에 따라 실시간으로 암호화 정도를 조정하며, 다중 전송경로 지원을 통해 보안성을 높인다. 수신된 영상 데이터는 실시간 영상 재생이 가능한 단위로 그 순서를 복원한 후 화면에 표시된다. 이 기술은 가용 전산 자원의 모니터링 결과에 따라 촬영된 영상을 구성하는 비디오 데이터 단위로 암호화가 가능해 전산 자원 가용량에 따른 선별적 적용이 가능하다.
연구팀은 카메라 장비를 상용 영상 드론에 탑재해 무선을 통한 영상전송 시 전산 자원 소모를 낮추면서 보안성을 높일 수 있음을 증명했다. 최근 코로나로 인해 널리 활용되는 비대면 강의 및 미팅의 보안성 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
김명철 교수는 “영상전송 보안이 중요한 온라인 교육/회의, 스마트시티의 CCTV, 민군 드론 영상 송수신, 증강현실(AR), 가상현실(VR) 등에서 특허화된 개발기술이 원천기술로 활용될 수 있도록 산학협력을 활발히 추진하고 있다”라고 말했다.
2020.04.16
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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
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KAIST, 가상증강현실 전문 인력 양성
우리대학이 증강현실 소프트웨어와 플랫폼 분야 전문 인력 양성에 나선다.
KAIST 증강현실연구센터(센터장 우운택)는 산업통상자원부가 지원하고 한국산업기술진흥원(KIAT)이 전담하는 산업 혁신 인재 성장 지원 사업을 통해 `가상증강현실 전문 인력 양성 사업'을 운영한다.
해당 사업은 미래 신산업 육성 및 주력 산업 분야 석·박사급 전문 인력 양성을 목표로 한국전자정보통신산업진흥회(KEA)가 주관하고 KAIST(증강현실 소프트웨어 및 플랫폼)와 서강대(가상현실 응용서비스)·서울대(증강현실 하드웨어)가 사업단을 구성했다. 각 대학의 특화 분야 인력 양성을 위해 정부가 66.5억 원을 지원하고 참여 기관 및 기업의 예산을 더해 5년간 총 84억 원이 투입될 예정이다.
가상증강현실 분야는 4차 산업혁명의 핵심 사용자 인터페이스로 주목받는 분야다. 특히, 현실의 정보를 가상으로 옮긴 디지털트윈을 통해 정보를 분석해 가시화하거나 축적된 데이터를 기반으로 미래를 예측하고 가상현실로 체험하게 하거나 현실에서 증강현실로 활용하게 하는 기술은 4차 산업혁명을 촉발시킬 핵심 기술로 주목받고 있다.
이에, 우리대학은 문화기술대학원(학과장 노준용)에 `증강현실 프로그램'을 신설하고 올해 상반기에 신입생을 선발해 2020년 가을 학기부터 향후 5년간 증강현실 실무 역량을 갖춘 융합인재 양성에 나선다.
`KAIST CT-AR 프로그램'으로 신설된 대학원 과정은 이달 3일부터 오는 13일까지 신입생을 모집한다. 매년 10여 명의 석·박사 과정 학생을 선발해 디지털 트윈, 환경인식·추적, 실감증강, 지능형 정보증강, 3차원 상호 작용 등 본격적인 증강현실 소프트웨어 및 플랫폼 등을 교육해 관련 분야의 핵심 기술을 선도할 인재를 육성할 계획이다.
선발된 학생들에게는 등록금과 학업 장려금을 지원하고 국내·외 관련 기업과의 공동 연구와 국제학회 참여 기회를 제공한다. 산업 현장에서의 경험과 국제적인 리더십을 고루 갖춘 AR R&D 인력으로 성장할 수 있는 발판을 마련해주기 위해서다.
특히, 산업 현장의 실질적인 요구에 대응하는 실무 역량을 강화하기 위해 기획된 프로젝트 수업에는 (주)버넥트, (주)포스트미디어, (주)맥스트, (주)익스트리플, (주)에이에스티, (주)빅토리아 프로덕션 등 KAIST 산학협력 기업이 함께 참여한다. 학생들은 이들과 함께 현장의 문제를 파악하고 분석하여 해결하는 수업을 전공 필수로 이수해야 한다.
대전시(시장 허태정)도 본 사업과 연계하여 지역 밀착형 인재 양성을 위해 향후 5년간 대응 자금 지원해 KAIST에 개방형 산학협력플랫폼인 `산학협력실'을 신설한다. 새롭게 마련될 공간은 프로젝트 기획 수업 참여자들과 참여 기업이 가상증강현실 분야의 다양한 협력 연구를 시도하는 개방형 실험실로 사용된다.
KAIST는 이번 인력 양성 사업을 통해 국내 관련 기업들이 가상증강현실 분야를 선도하고 새로운 시장을 선점할 수 있도록 지원할 예정이다. 특히, 가상스튜디오, 가상 원격협업실, 가상 교실 등 다양한 테스트 베드를 구축하고 산학협력을 통해 가상증강현실 인력 양성 사업을 적극 지원할 계획이다.
전공 책임을 맡은 우운택 KAIST 문화기술대학원 교수는 "지난 20년간의 경험과 성과를 바탕으로 증강현실 분야의 우수 연구 개발 인력을 양성하기 위해 힘쓸 예정이다ˮ라고 강조했다. 이어, 우 교수는 "앞으로 5년 동안 참여 기업과 더불어 디지털트윈 기반 가상증강현실 시대를 대비할 것ˮ 이라고 포부를 밝혔다.
한편, 이번 `KAIST CT-AR 프로그램' 신입생 모집에 관한 자세한 내용은 문화기술대학원 홈페이지(https://ct.kaist.ac.kr)에서 확인할 수 있다.
2020.04.07
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스스로 그림 그리는 인공지능 반도체 칩 개발
전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀이 생성적 적대 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 저전력, 효율적으로 처리하는 인공지능(AI: Artificial Intelligent) 반도체를 개발했다.
연구팀이 개발한 인공지능 반도체는 다중-심층 신경망을 처리할 수 있고 이를 저전력의 모바일 기기에서도 학습할 수 있다. 연구팀은 이번 반도체 칩 개발을 통해 이미지 합성, 스타일 변환, 손상 이미지 복원 등의 생성형 인공지능 기술을 모바일 기기에서 구현하는 데 성공했다.
강상훈 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 지난 2월 17일 3천여 명 반도체 연구자들이 미국 샌프란시스코에 모여 개최한 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다. (논문명 : GANPU: A 135TFLOPS/W Multi-DNN Training Processor for GANs with Speculative Dual-Sparsity Exploitation)
기존에 많이 연구된 인공지능 기술인 분류형 모델(Discriminative Model)은 주어진 질문에 답을 하도록 학습된 인공지능 모델로 물체 인식 및 추적, 음성인식, 얼굴인식 등에 활용된다.
이와 달리 생성적 적대 신경망(GAN)은 새로운 이미지를 생성·재생성할 수 있어 이미지 스타일 변환, 영상 합성, 손상된 이미지 복원 등 광범위한 분야에 활용된다. 또한, 모바일 기기의 다양한 응용 프로그램(영상·이미지 내 사용자의 얼굴 합성)에도 사용돼 학계뿐만 아니라 산업계에서도 주목을 받고 있다.
그러나 생성적 적대 신경망은 기존의 딥러닝 네트워크와는 달리 여러 개의 심층 신경망으로 이루어진 구조로, 개별 심층 신경망마다 다른 요구 조건으로 최적화된 가속을 하는 것이 어렵다.
또한, 고해상도 이미지를 생성하기 위해 기존 심층 신경망 모델보다 수십 배 많은 연산량을 요구한다. 즉, 적대적 생성 신경망은 연산 능력이 제한적이고 사용되는 메모리가 작은 모바일 장치(스마트폰, 태블릿 등)에서는 소프트웨어만으로 구현할 수 없었다.
최근 모바일 기기에서 인공지능을 구현하기 위해 다양한 가속기 개발이 이뤄지고 있지만, 기존 연구들은 추론 단계만 지원하거나 단일-심층 신경망 학습에 한정돼 있다.
연구팀은 단일-심층 신경망뿐만 아니라 생성적 적대 신경망과 같은 다중-심층 신경망을 처리할 수 있으면서 모바일에서 학습도 가능한 인공지능 반도체 GANPU(Generative Adversarial Networks Processing Unit)를 개발해 모바일 장치의 인공지능 활용범위를 넓혔다.
연구팀이 개발한 인공지능 반도체는 서버로 데이터를 보내지 않고 모바일 장치 내에서 생성적 적대 신경망(GAN)을 스스로 학습할 수 있어 사생활을 보호를 가능케 하는 프로세서라는 점에서 그 활용도가 기대된다.
모바일 기기에서 저전력으로 다중-심층 신경망을 가속하기 위해서 다양한 핵심 기술이 필요하다. 연구팀이 개발한 GANPU에 사용된 핵심 기술 중 대표적인 기술 3가지는 ▲적응형 워크로드 할당(ASTM, 처리해야 할 워크로드*를 파악해 칩 상의 다중-심층 신경망의 연산 및 메모리 특성에 맞춰 시간·공간으로 나누어 할당함으로써 효율적으로 가속하는 방법) ▲입출력 희소성 활용 극대화(IOAS, 인공신경망 입력 데이터에서 나타나는 0뿐만 아니라 출력의 0도 예측해 연산에서 제외함으로써 추론 및 학습 과정에서의 속도와 에너지효율 극대화) ▲지수부만을 사용한 0 패턴 추측(EORS, 인공신경망 출력의 0을 예측하기 위한 알고리즘으로 인공신경망 입력과 연결 강도(weight)의 부동소수점 데이터 중 지수 부분만을 사용해 연산을 간단히 수행하는 방법)이다.
위의 기술을 사용함으로써 연구팀의 GANPU는 기존 최고 성능을 보이던 심층 신경망 학습 반도체 대비 4.8배 증가한 에너지효율을 달성했다.
연구팀은 GANPU의 활용 예시로 태블릿 카메라로 찍은 사진을 사용자가 직접 수정할 수 있는 응용 기술을 시연했다. 사진상의 얼굴에서 머리·안경·눈썹 등 17가지 특징에 대해 추가·삭제 및 수정사항을 입력하면 GANPU가 실시간으로 이를 자동으로 완성해 보여 주는 얼굴 수정 시스템을 개발했다.
2020.04.06
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대전 유성구 소재 38개 중·고교 ‘온라인 개학’ 지원
코로나19로 인한 사상 초유의 전국 초·중·고교 순차적 온라인 개학을 나흘 앞둔 가운데 우리 대학이 디지털 기술 활용에 익숙하지 않은 지역 중·고교 교사들을 위해 발 벗고 나섰다.
일선 현장의 중·고교 교사들을 위해 실시간으로 쌍방향 화상 원격수업이 가능한 프로그램(툴, Tool)에 대한 활용 교육에 나선 것은 국내 대학을 통틀어서 우리 대학이 처음이다.
교육계 일각에서는 작년 8월 국내대학 중 KAIST가 맨 먼저 `소재·부품·장비 기술자문단'을 출범시켰을 때와 같이 이번에도 중·고교를 대상으로 `온라인 개학' 지원을 위한 첫 단추를 꿴 만큼 다른 대학들의 참여가 잇따를 것으로 기대하고 있다.
우리 대학은 본원 캠퍼스가 위치한 대전 유성구 소재의 38개 중·고교 교사를 대상으로 실시간 쌍방향 화상 원격수업 프로그램에 대한 활용 교육을 지난 3일 실시하는 한편 학부생과 대학원생으로 구성된 `온라인 수업 지원단'을 구성해 7일부터 29일까지 약 한 달간 운영에 들어간다.
지난달 31일 교육부는 중학교와 고교 3학년은 4월 9일, 중·고교 1~2학년과 4학년 이상 초등 고학년은 16일, 초등 1~3학년은 20일부터 원격수업을 정식으로 인정하는 `온라인 개학' 방안을 확정, 발표했다.
교육부는 온라인 개학(원격수업)에 사용하는 프로그램으로 교사와 학생이 얼굴을 마주하는 실시간 쌍방향 수업은 네이버밴드라이브 · 구루미 · 유튜브라이브스트리밍 · 줌(Zoom) · MS팀즈(Teams) 등 시중에서 많이 사용하는 화상회의 프로그램 사용을 권고했다. 과제를 내거나 학습자료를 확인하는 데는 EBS온라인클래스 · e-학습터 · 디지털교과서 위두랑을 사용한다.
실시간 쌍방향 화상프로그램의 경우 각 학교 실정에 맞는 툴을 선정해서 활용하도록 권고했지만 촉박한 일정 때문에 시스템 테스트 및 활용 방법에 관한 지식 등 교사들의 사전 준비 부족에 대한 우려가 큰 상황이다.
대학 관계자는 "지난 3월 16일부터 학부생과 대학원생을 대상으로 모든 강의를 사전에 녹화된 강의 콘텐츠와 실시간 쌍방향 화상프로그램을 활용해 원격수업을 진행 중ˮ이라면서 "그동안 쌓아 온 노하우와 활용에 관한 각종 유용한 팁을 지역사회 중·고교 교사들에게 전수함으로써 시행착오의 최소화를 통한 안정적인 학사 운영을 지원하자는 게 이번 지원프로그램의 취지ˮ라고 설명했다.
5일 공개한 `유성구 중·고교 온라인 개학 지원방안'에 따르면 지난 3일 오후 2시부터 약 2시간 가까이 권영선 교육원장이 실시간 쌍방향 화상프로그램인 줌(Zoom)을 온라인 수업에 활용하는 방법에 대한 특강을 열었다.
이날 특강을 위해 우리 대학은 지난 1일 대전 유성구에 소재한 38개 중·고교에 공문과 유선을 통해 특강 소식을 알려 참가를 원하는 교사 100여 명을 모집했다. 권영선 교육원장과 교수학습혁신센터 조미나 연구원은 이날 특강을 통해 줌의 주요 기능사용법·온라인 수업을 효과적으로 진행하기 위한 준비사항 및 문제 발생 시 대응 방법·출석 체크·수업 진행·퀴즈 등을 수행하는 요령과 수업 진행 시 참고할만한 유용한 정보들을 교사들과 공유했다.
이와 함께 학부생 및 대학원 석·박사과정 재학생 40여 명으로 구성된 `온라인 수업 지원단'을 구성하고 7일부터 29일까지 운영에 들어 간다. 이를 위해 KAIST는 지난 1일 학내 커뮤니케이션 네트워크인 `포털서비스'에 3일까지 지원단을 모집한다는 공지를 올렸는데 게시한 지 불과 10시간 만에 150명이 지원했다.
지원단은 실시간 쌍방향 화상 원격수업 프로그램을 활용하는 강의에 익숙하고 사용법을 숙지하고 있는 온라인 강의 조교 경험을 보유한 재학생 위주로 꾸려진다. 지원을 요청하는 학교마다 1~2명씩 배정해 교사들의 원격 수업 준비와 수업 진행 과정에서 발생하는 각종 애로 및 불편 사항을 온·오프라인을 통해 해결하는 역할을 담당한다. 지원단의 활동비 전액은 우리 대학이 모두 부담할 방침이다.
신성철 총장은 "코로나19 상황이 장기화가 되면서 온라인 개강에 대한 사전 준비가 부족한 교육기관과 교육자들의 경우 새로운 교육 방식을 빠르게 익히고 적응해야 하는 참으로 힘든 시기ˮ라면서 "유성구 지역 내의 중·고등학교들이 온라인 수업의 불편함을 조속히 해결하고 양질의 교육이 원활히 제공될 수 있도록 최선을 다해 도울 것ˮ이라고 강조했다.
2020.04.05
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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
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고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 개발
신소재공학과 신병하 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀(서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사)이 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해, 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다.
이번 연구는 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)의 안정화 및 고효율화하는 기술을 개발함과 동시에, 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
신병하 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 3월 26일 자 온라인판에 게재됐다.(논문명: Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide bandgap perovskites)
기존의 단일 태양전지로는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재한다. 이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들이 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해서 노력하고 있다.
하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했다.
연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔고, 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다. 공동 연구팀은 더 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.
연구팀의 기술은 향후 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있으며, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
신병하 교수는 “페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기이다. 실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것이다”라며 “연구결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, BK21 사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.30
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