< 김정원 교수, 나용진 박사과정 >
우리 대학 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속, 초정밀의 펄스비행시간(time-of-flight, TOF) 센서 기술을 개발했다. 이 새로운 펄스비행시간 센서 기술을 이용하면 수소 원자 2개의 크기보다도 작은 180 피코미터(55억분의 1미터) 정도의 위치 차이도 200분의 1초 만에 정확하게 측정할 수 있다. 기존 고성능 거리 측정 기술의 성능을 뛰어넘는 새로운 원천 기술이 될 것으로 기대된다.
나용진 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 2월 10일 자에 게재됐다. (논문명: Ultrafast, sub-nanometre-precision and multifunctional time-of-flight detection)
레이저를 이용한 거리 측정 기술은 현재 보안, 자율주행 등에 사용되는 라이다(LiDAR)나 반도체 공정 등 각종 산업 분야뿐 아니라, 지진 감지, 중력파 검출 등 자연 현상 탐지까지 다양한 분야의 핵심 기술로 활용된다. 거리 측정의 분해능, 속도 및 범위 성능이 개선되면 기존 응용기술들의 성능 개선뿐 아니라 이전에는 불가능했던 새로운 물리 현상들의 측정도 가능하게 한다.
기존의 고성능 거리 측정 기술들은 크게 두 가지 방식으로 나뉜다. 기존의 펄스비행시간 기술은 미터 이상의 긴 측정 거리를 갖지만 그만큼 분해능 성능이 떨어지는 문제가 있다. 반면 간섭계 기술은 나노미터 수준의 좋은 분해능을 갖지만, 마이크로미터 수준의 좁은 측정 범위를 갖는다. 또한, 두 기술 모두 측정 속도가 느리다는 공통적인 한계가 있다.
연구팀은 이러한 한계들을 극복하기 위해 기존의 방식들과는 완전히 다른 방식의 펄스비행시간 센서를 제안했다. 펄스 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차이를 전광 샘플링 기법을 이용해 측정했다. 이때 빛 펄스와 전류 펄스 간의 시간 오차가 100 아토초(1경분의 1초) 정도로 매우 적어, 빠른 속도로 나노미터 이하의 거리 차이도 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 전류 펄스의 길이가 수십 피코초 이상으로 길어 밀리미터 이상의 측정 범위가 동시에 가능하다. 따라서 기존의 펄스비행시간 기술이 갖는 낮은 분해능과 간섭계 기술이 가지는 좁은 측정 범위의 한계를 동시에 뛰어넘을 수 있었다.
연구팀은 새로운 펄스비행시간 기술을 이용해 고분해능 3차원 형상 이미징 기술을 시연했고, 지진파나 화산 활동 측정과 같이 미세한 변형을 측정하는 데 활용할 수 있는 고정밀 변형률 센서도 구현했다. 또한, 초고속 측정에서도 높은 분해능을 갖는다는 장점을 이용해 100MHz(1초에 1억 번의 진동에 해당) 이상의 속도로 변화하는 물체의 위치도 나노미터 분해능으로 실시간 측정 가능함을 선보였다.
연구팀은 특히 서로 멀리 떨어져 있는 다수 지점의 펄스비행시간을 동시에 정밀하게 측정할 수 있는 특징을 활용하면 스마트팩토리와 같은 환경에서 하나의 레이저와 광섬유 링크들을 이용해 다지점, 다기능성 복합센서 시스템을 구현할 수 있다고 전망했다.
김 교수는 “이 기술을 이용해 기존에는 관측하지 못했던 마이크로 소자 내에서의 비선형적인 움직임과 같은 복잡하고 빠른 동적 현상들을 실시간으로 측정하고 규명하는 것이 다음 연구 목표이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
< 그림1. 전류 펄스를 이용한 빛 펄스 비행시간 측정 기술의 개념도 >
< 그림2. MEMS 소자 표면의 3차원 이미징 결과 >
< 그림3. 기존의 최고성능 거리 및 변위 측정 기술들과의 성능 비교 >
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연구 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
2020-04-27 -
행사 아시아 최대규모 대학생 학술대회 ICISTS 2017, 7/31~8/4 개최
아시아 최대 규모의 국제 대학생 컨퍼런스인 ‘아이시스츠(ICISTS) 2017’이 7월 31일부터 8월 4일까지 대전 KAIST 본교와 호텔 ICC에서 열린다. ‘아이시스츠(ICISTS)’는 KAIST 학부생들이 지난 2005년 처음 시작한 학술대회로 매년 전 세계 명사들과 대학생들을 초청해서 과학과 기술, 그리고 사회의 통합을 놓고 함께 고민하고 토론하는 자리다. 특히 연사 섭외 등 모든 행사진행 과정을 KAIST 학부생들이 직접 맡아 주도하는데 초기에는 행사 참가인원이 150여명 정도에 불과 했지만 회를 거듭할수록 참가자들도 급증해 작년 행사에는 20여 개 국가에서 300여명의 대학생이 참가하는 아시아 최대 규모의 국제 대학생 컨퍼런스로 자리를 잡았다. 이번 컨퍼런스는 ‘사회의 거미줄을 그리다(Draw the Web : Interactions in Society)’를 주제로 사회 전반에 걸쳐
2017-05-18 -
연구 김승우교수, 정밀거리측정기술 개발
- 네이처 포토닉스誌 발표, “미래우주핵심기술 개발을 통한 우주선진국 도약 가능성 열어”- 수 백 km의 거리에서 1nm*의 차이까지 정확히 측정할 수 있는 정밀거리 측정기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. * 1nm(나노미터) : 10억분의 1m 우리학교 기계공학과 김승우 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 중견연구자지원사업 (도약연구)과 우주원천기초기술개발사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 광학 분야 최고 권위지인 ‘네이처 포토닉스(Nature photonics)’ 온라인 속보(8월 8일자)에 게재되었다. 김 교수팀은 지금까지 장거리 측정의 한계점이던 1mm 분해능*을 1nm 분해능으로 측정할 수 있는 획기적인 정밀거리 측정기술 개발에 성공하였다. * 분해능(分解能, resolving) : 측정기가 검출할 수 있는 가장 작은 단위의
2010-08-17 -
인물 생명화학공학과 김신현 군, 2008 Micro-TAS 학회 젊은 연구자 상 수상
생명화학공학과 김신현(지도교수: 양승만, 박사과정)군이 지난 12일~15일 San Diego에서 열린 2008 Micro-TAS 학회에서 ‘광가교성 이중 에멀젼을 이용한 콜로이드 결정의 광자 유체공학적 캡슐화 공정(Optofluidic Encapsulation of Crystalline Colloidal Arrays Using Photocurable Double Emulsion droplets)’ 이라는 논문으로 ‘2008년도 마이크로타스학회 젊은 연구자 상’을 수상했다. 세계 유수의 대학과 연구기관으로부터 발표된 570여 편의 Poster 논문 가운데 4단계 전문가 심사를 거쳐 수상자로 결정됐다. 한편, 김군은 양승만 교수의 창의연구단에서 광자결정소재의 실용성을 확보하기 위한 연구를 수행하여 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 연구성과를 거뒀다. 최근에는 굴절률을 1.4-2.8까지 마음대로 조절할 수 있는 입자를 대량으로 제
2008-10-22