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엑스선 현미경 해상도 한계 극복
엑스선 현미경은 대부분 물질을 투과하는 장점이 있어 흉부 엑스선이나 CT 촬영을 통해 신체 내부 장기와 골격을 비침습적으로 관찰할 수 있다. 최근에는 반도체, 배터리의 내부 구조를 나노스케일에서 정밀하게 관찰하기 위해 엑스선 영상 기술의 해상도를 높이려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 포항가속기연구소 임준 박사 연구팀과 공동연구를 통해 기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 수 있는 원천 기술 개발에 성공했다고 12일(수) 밝혔다.
물리학과 이겨레 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 광학 및 광자학의 세계적인 학술지인 `라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 (Light: Science and Application)' 4월 7일 字에 출판됐다. (논문명: Direct high-resolution X-ray imaging exploiting pseudorandomness).
엑스선 나노 현미경은 굴절 렌즈가 없어 렌즈 대용으로 동심원 회절판(zone plate)이라 불리는 원형 모양의 격자를 사용한다. 동심원 회절판을 사용하여 얻어지는 영상의 해상도는 회절판 나노구조의 제작 품질에 의해 결정된다. 이러한 나노구조를 제작하고 유지하는 것은 여러 가지 어려움이 있으며, 이러한 한계가 엑스선 현미경의 해상도 한계를 결정했다.
연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 새로운 엑스선 나노 현미경 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 엑스선 렌즈는 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫은 형태로, 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성한다. 연구팀은 역설적이게도 이러한 무작위적 회절 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명하였으며, 실제 그 시료 정보를 추출하여 영상화하는데 성공하였다.
이러한 무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상기법은 지난 2016년 이겨레 박사와 박용근 교수가 세계 최초로 제안하고 가시광 대역에서 구현한 기술로서, 당시 네이처 커뮤니케이션즈紙 Lee, KyeoReh, and YongKeun Park. "Exploiting the speckle-correlation scattering matrix for a compact reference-free holographic image sensor." Nature communications 7.1 (2016): 13359. 에 보고된 바 있다. 이번 연구는 해당 선행연구 결과를 엑스선 영역의 난제를 푸는 데 활용한 것이다.
구성된 시료의 영상의 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적인 상관이 없다. 이러한 아이디어를 바탕으로 연구팀은 300 나노미터(nm) 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용해 14 나노미터(nm) 해상도(대략 코로나 바이러스의 7분의 1 크기)의 영상을 취득하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 영상기술은 기존 동심원 회절판 제작상의 문제에 가로막혀 있던 엑스선 나노 현미경 해상도를 그 이상으로 끌어 올릴 수 있는 핵심 기반 기술이다.
제1 저자이자 공동교신저자인 우리 대학 물리학과 이겨레 박사는 “이번 연구에서는 14 나노미터(nm) 해상도에 그쳤지만, 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면, 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도 수준인 1 나노미터 부근까지 근접할 수 있을 것이라 예상한다”라며“전자현미경과는 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부 구조를 관찰할 수 있으므로, 반도체 검수와 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것이다”라고 말했다.
공동교신저자인 포항가속기연구소 임준 박사는 “같은 맥락에서, 개발된 영상기술은 충북 오창에 신설되는 4세대 다목적방사광가속기에서 크게 성능이 증대될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.
2023.04.12 조회수 5190 -
신인식 교수, 스마트기기 간 어플기능 공유 기술 개발
〈 신인식 교수 연구팀 〉
사례 1. 직장인 김씨는 해외 출장 중 공항에 비치된 태블릿 PC를 이용해 본인의 SNS 계정에 접속해 남는 시간을 활용했다. 하지만 그 태블릿 PC에는 해킹 바이러스가 설치돼 있었고 김씨의 SNS 속 사진들이 다른 누군가에 의해 삭제되는 사고가 발생했다.
사례 2. 중학생 아들을 둔 이씨 부부는 카드사와 게임 회사에 분주하게 연락을 취하고 있다. 게임을 좋아하는 아들이 스마트폰을 이용해 백만 원 상당의 게임 아이템을 결제했기 때문이다.
사례 3. 평소 게임을 좋아하는 박씨는 스마트폰을 통해 고가의 레이싱 게임을 구매했다. 하지만 화면이 너무 작아 생동감이 떨어졌고, TV에 연결해 조이스틱을 사용해봤지만 조이스틱의 반응이 느려 게임을 제대로 즐길 수 없었다.
위의 사례는 스마트폰 및 다양한 스마트기기가 존재하는 현대 사회에서 기기로 인해 발생할 수 있는 다양한 문제점 중 일부이다. 위와 같은 문제들을 손쉽게 해결할 수 있는 기술이 개발됐다.
우리 대학 전산학부 신인식 교수 연구팀이 스마트 기기 간 어플리케이션의 기능을 공유할 수 있는 모바일 플랫폼 기술 ‘모바일 플러스(Mobile Plus)’를 개발했다.
이는 다른 모바일 기기에 설치된 앱끼리 별도의 수정 없이 자유롭게 기능을 공유할 수 있는 기술이다.
오상은 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 지난 6월 21일 미국에서 열린 모바일 컴퓨팅 분야 최고 권위 학술대회 ACM(국제컴퓨터학회) MobiSys에서 논문으로 출간됐다.
스마트폰 사용자들은 카카오톡이나 페이스북을 통해 다른 SNS 계정에 로그인을 하거나 사진 앱에 저장된 사진을 다른 SNS로 전송하는 작업 등을 빈번하게 활용한다. 이와 같은 기술은 앱 끼리 로그인 기능, 사진 관리 기능 등을 공유하고 있기 때문에 가능하다.
이러한 기능 공유를 통해 사용자는 다양하고 편리하게 스마트폰을 활용할 수 있고, 개발자는 간편하게 앱을 개발할 수 있다.
하지만 현재의 안드로이드나 iOS 플랫폼에서는 앱 기능 공유의 범위가 같은 모바일 기기 안에서만 작동한다. 기기 간 서비스 공유를 위해서는 특정 앱의 개발이 필요하고 기기마다 설치, 구매를 해야 하기 때문에 개발자와 사용자 모두에게 번거로운 일이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기기 간 서비스 공유 기능을 지원하는 플랫폼 기술을 개발했다. 이는 여러 모바일 기기에서 각각 실행되는 앱들이 마치 하나의 모바일 기기에서 실행되는 것과 같은 효과를 주는 가상화 기술이 핵심이다.
연구팀은 단일 기기에서 동작하던 원격 함수 호출(Remote Procedure Call) 원리를 멀티 디바이스 환경에 맞게 확장시키면서 가상화에 성공했다.
이 가상화 기술은 기존 앱들의 코드를 수정하지 않아도 기능 공유가 가능하다. 사용자 입장에서는 추가 구매 혹은 업데이트 없이도 사용할 수 있다. 또한 앱 종류에 구애받지 않는 기능 공유가 가능하다.
모바일 플러스 기술은 카메라, 마이크, GPS 등 하드웨어 뿐 아니라 앱이 제공하는 로그인, 결제, 사진 공유 등의 기능도 공유할 수 있다. 적용할 수 있는 기술의 범위가 매우 넓다는 큰 장점을 갖는다.
신 교수는 “모바일 플러스 기술은 스마트홈, 스마트카 기술 등과 함께 시너지 효과가 클 것으로 예상된다”며 “스마트폰을 허브로 스마트 가전제품이나 차량 인포테인먼트 시스템에서 다양한 앱들을 보다 더 편리하고 안전하게 사용하는 새로운 사용자 경험(UX)을 제공할 수 있다.”고 말했다.
□ 사용 예시 및 그림 설명
다른 모바일 기기 간 앱 기능 공유는 여러 가지 새로운 사용 예시를 만들 것이며 당장 실현 가능한 기술도 존재한다.
1. 보안성 향상: 로그인(login), 온라인 결제(payment) 등
사용자가 공공 도서관에서 빌린 태블릿이나 호텔방에 비치된 스마트TV 등에서 인스타그램과 같은SNS 앱에 로그인하고 싶은 경우가 있다. 그러나 이와 같은 공공(public) 태블릿이나 스마트TV는 보안상으로 매우 취약할 가능성이 높다. 이러한 공공 기기에(패스워드를 입력하며) 직접 로그인을 한다는 것은 매우 꺼려질 수 있다. 이때 이러한 공공 태블릿에서 직접 패스워드를 입력하는 대신 사용자 개인(personal) 스마트폰의 페이스북/카카오톡 로그인 기능을 사용해 공공 태블릿에 로그인함으로써 이와 같은 보안 위험을 회피할 수 있다. (그림2 참조)
그림2. 자신의 스마트폰을 이용해 공용 기기에서도 안심하고 로그인할 수 있다.
또한 공공장소에 있는 스마트TV 등에 나오는 인터넷 쇼핑 사이트에서 보고 있는 특정 제품을 구매할 경우, 이와 같은 공공 스마트TV에서의 결제는 역시 보안 위험에 노출될 수 있다. 이 경우 결제시에 사용자 개인 스마트폰의 결제 기능을 사용하여, 사용자 개인 스마트폰에서 결제가 수행되도록 함으로써 역시 이와 같은 보안 위험을 회피할 수 있다.
또한, 청소년이 게임중 우발적으로 혹은 중독적으로 게임 아이템등을 쇼핑할 경우, 결제 서비스가 부모 스마트폰에서만 이루어지도록 강제함으로써, 청소년들의 우발적/중독적 쇼핑을 제한할 수 있다. (그림3 참조)
그림3. 자녀의in-app 구매를 부모가 자신의 스마트폰을 통해 제어할 수 있다.
2. 컨텐츠 분배(contents sharing)
예를 들어 사용자가 스마트폰에서 이메일을 읽던 중 첨부파일을PDF로 열어보고 싶은 경우(스크린이 더 큰) 다른 태블릿에서 이PDF 파일을 열고자 할 경우가 있다. 이 때 기존 모바일 환경에서 사용자는PDF 파일을 먼저 스마트폰에 저장한 후 카카오톡 등 메신저 앱으로 직접 태블릿으로 옮기거나PDF 파일을 클라우드 스토리지에 업로드한 후 태블릿에서 다시 다운로드하는 번거로운 방식을 통해 다른 태블릿에서PDF 파일을 열어 볼 수 있다. 이에 반해, Mobile Plus에서는 사용자가 스마트폰에서PDF 파일을 태블릿에서 열겠다고 지정하면, 이 기능이 자동으로 수행된다. 이 때, 기존의 이메일 앱(i,e., Gmail)과PDF Viewer를 전혀 수정하지 않아도, 이러한 기능 수행이 가능하다. 또한 태블릿에서PDF 문서 중 일부를copy한 후, 스마트폰의 이메일 앱에 붙여넣기(paste)할 수도 있다.
3. I/O 분배(I/O sharing)
스마트TV에서 카레이싱 게임을 생각해보자. 카레이싱 게임은 가속도 센서를 이용하는 게임인데, 스마트TV에서는 가속도 센서가 없다. 이 경우 사용자는 다른 모바일 기기의 가속도 센서 기능을 사용하며(모바일 기기를 자동차 핸들처럼 움직이며) TV 영상에 나오는 차량을 운전하며 카레이싱 게임을 할 수 있다. 즉, 가속도 센서가 없는 스마트TV에서도 사용자는 스마트폰의 센서 기능을 공유하여, 스마트폰을 마치 콘솔 기기의 컨트롤러처럼 사용하며 카레이싱 게임을 즐길 수 있다. (그림4 참조) 비슷한 예로 카메라가 없는 스마트TV에서 스마트폰의 카메라를 이용하여 영상 통화를 하거나, 유심카드가 없는 태블릿에서 스마트폰의 유심카드를 이용하여 전화 통화를 하거나LTE 데이터 통신을 할 수 있다.
그림4. 스마트폰을 컨트롤러로 사용해서 게임을 더욱 더 신나게 즐길 수 있다.
2017.07.26 조회수 14989 -
우운택 교수, 스마트 관광 증강현실 어플리케이션 개발
〈 우 운 택 교수 〉
우리 대학 문화기술대학원 우운택 교수 연구팀이 스마트 관광 지원을 위한 증강 및 가상현실 어플리케이션을 개발했다.
‘케이 컬처 타임머신(K-Culture Time Machine)’ 어플리케이션은 창덕궁을 대상으로 한 시범 서비스로 iOS 앱스토어에 5월 23일 공개됐다.
개발된 케이 컬처 타임머신은 웨어러블 360도 비디오를 통해 문화유산이나 유적지에 대한 시공간을 넘는 원격 체험을 제공한다.
사용자는 VR기기에 스마트폰을 장착해 제공되는 360도 비디오로 문화 유적지를 원격으로 체험하고 해당 문화유산 및 연관관계가 있는 인물, 장소, 사건 등에 대한 정보를 확인할 수 있다. 또한 소실된 문화유산에 대한 3차원 디지털 복원도 체험할 수 있다.
웨어러블 기기 활용 없이도 모바일 모드를 통해 사용자 주변 유적지 확인, 카메라에 인식된 문화유산을 인식하고 관련된 정보와 콘텐츠를 제공하는 증강현실 기반의 문화유산 가이드가 가능하다.
사용자는 자신의 위치에서 창덕궁 돈화문을 시작으로 인정문, 인정전, 희정당에 이르는 창덕궁 내부를 이동하며 360도 파노라마 이미지나 비디오를 통해 현장을 가상체험 할 수 있다.
현재는 존재하지 않는 인정전 동쪽의 궐내 곽사 지역에는 3D모델을 통한 승정원의 가상 복원을 확인할 수 있다.
위 기능은 웨어러블 기기 없이 스마트폰 상에서도 체험 가능하며 개발 중인 증강현실 기능이 완성되면 현장에서 활용 가능한 수준의 어플리케이션이 될 것으로 기대된다.
우 교수 연구팀은 문화유산 데이터베이스와 증강-가상현실 콘텐츠의 표준화된 메타데이터를 구축하고 이를 적용했다. 이를 활용해 일시적으로 개발 후 소비되는 기존 어플리케이션과는 달리 추가적인 콘텐츠 생성 및 추가가 가능하다.
우 교수는 “증강현실 콘텐츠의 상호 활용성과 재활용성을 증진해 스마트관광 분야의 새로운 시장을 선점할 수 있을 것이다”며 “콘텐츠 개발 비용 절감과 증강현실 콘텐츠 생태계 활성화를 가능하게 하는 다양한 부가 효과도 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 ㈜포스트미디어(대표 홍승모)와 문화체육관광부 CT R&D 사업과의 공동 수행을 통해 이뤄졌으며, 관련 연구 성과는 올 7월 캐나다에서 진행되는 HCII 2017 학회를 통해 발표될 예정이다.
□ 그림 설명
그림1. 360 VR 서비스 개념도
그림2. K-Culture Time Machine의 모바일 증강현실 기능 구동 화면
그림3. K-Culture Time Machine의 360도 파노라마 이미지-비디오 기능 화면
2017.05.23 조회수 16401