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스파이더맨 슈트처럼 내 몸에 착 맞춰지는 옷감형 웨어러블 햅틱 개발
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 형상기억합금 와이어를 오그제틱(auxetic) 메타구조로 매듭지어 형상 적응이 가능한 옷감 형태의 착용형 '햅틱(haptic) 인터페이스'를 개발했다고 28일 밝혔다.
착용형 햅틱 인터페이스 기술은 시·청각 기반의 플랫폼의 한계를 벗어나, 피부 표면으로 전해지는 직관적인 촉감으로 메타버스 속 상호작용 몰입도를 높이는 역할을 한다.
하지만 일반적인 햅틱 인터페이스는 피부에 부착하거나 별도의 고정 장치를 착용하는 착용(부착)형으로, 이러한 햅틱 인터페이스는 장시간 사용 시 피부 발진의 위험과 고정 방식은 일상 움직임에서 불편함을 초래할 수 있다. 또 수십 개의 촉각 전달 소자를 장착해 촉감을 모방하는 기존의 제작 방식 역시 장치의 무게·부피 증가로 이어지는 한계를 보이고 있다.
우선 연구팀은 가볍고 편하게 착용할 수 있는 햅틱 인터페이스 개발을 위해 형상기억합금 와이어를 핵심 소재로 선택했다. 형상기억합금 와이어란 상온에서 모양이 쉽게 변형되고, 특정 온도에 도달하면 미리 기억된 형태로 되돌아가는 특징을 갖는 형상기억합금을 철사처럼 가늘고 길게 제작한 것이다. 이러한 형상기억합금 와이어를 기존의 천 제작 방식을 활용해 매듭지어 옷감처럼 제작하는 방식을 활용하였다. 특히, 연구팀은 형상기억합금 와이어를 오그제틱(auxetic) 구조로 매듭지어, 일반 구조에서는 볼 수 없는 3D 방향으로 구조 전체가 동시에 수축 및 이완하는 특성을 구현해 내었고, 이를 통해 착용자의 신체 형상에 순응하며 사이즈가 자동으로 조절되는 옷감형 액추에이터를 개발했다.
또한 연구팀은 8개의 영역을 개별 수축 제어할 수 있도록 설계해 총 아홉 가지 방향과 타이밍에 대한 정보를 사용자에게 촉감 피드백으로 전달할 수 있게 제작했다.
예로 팔목에 착용 시, 사용자는 방향 및 타이밍에 관한 정보를 촉각적으로 인지할 수 있고, 반면 팔꿈치에 착용할 때는 옷감형 액추에이터의 가변강성 기능을 활용해 팔꿈치의 굽힘각도에 따른 피드백을 제공하는 멀티모달(두 가지 이상의 피드백 형태로 정보를 전달) 햅틱 인터페이스로서 개발했다.
이처럼 옷감형 액추에이터를 팔목에 착용한 사용자가 가상현실 속 모빌리티 로봇 주변의 위치정보를 파악하고, 시각과 청각 정보가 제한될 때 장애물을 피해 로봇을 안정적으로 주행하는 실증에도 성공했다.
오일권 교수는 이번 연구성과를 통한 실용화 시 활용에 대해 "착용형 햅틱 인터페이스는 촉각 정보를 활용한 로봇, 무인기 제어와 메타버스가 접목된 의료·교육 등에도 활용할 수 있다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자(창의연구) 지원 사업으로 수행됐다. 연구 성과는 첨단 소재 분야 국제학술지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)>에 9월 19일 게재됐고, 연구의 우수성을 인정받아 학술지 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Easy-To-Wear Auxetic SMA Knot-Architecture for Spatiotemporal and Multimodal Haptic Feedbacks)
2023.11.30
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움직이는 가상 물질을 입체적으로 쥘 수 있는 새로운 가상현실 컨트롤러 개발
우리 대학 산업디자인학과 안드리아 비앙키(Andrea Bianchi) 교수 연구팀이 회전하는 원판을 활용한 6-자유도 햅틱 컨트롤러를 개발했다고 12일 밝혔다.
비앙키 교수 연구팀은 마이크로소프트(Microsoft Research)와 협업해 움직이는 물체의 이동 속도, 방향과 두께감을 표현하는 `SpinOchhio(스피노키오)' 컨트롤러를 개발했다. 이 컨트롤러는 한 쌍의 회전 원판과 피버팅(2차적 축 회전) 메커니즘을 활용해 가상 환경(VR Environment)에서 사용자가 엄지와 검지로 쥐고 있는 물체가 손가락 사이를 지나가는 속도, 방향과 두께의 감촉을 사실적으로 체험할 수 있게 한다.
산업디자인학과 김명진 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 5월 4일에 `ACM CHI 2022 (2022 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems)' 국제학회에서 발표됐다. (논문명: SpinOcchio: Understanding Haptic-Visual Congruency of Skin-Slip in VR with a Dynamic Grip Controller)
기존의 가상현실(VR) 컨트롤러는 가상 물체와의 상호작용을 표현하는 방법으로 진동 피드백만을 활용해, 손에 쥔 물체의 움직이는 속도, 방향, 또는 두께감에 대한 촉감 피드백을 표현하는 데에 한계가 있었다.
손가락으로 쥐고 있는 가상 물체의 움직임과 다양한 두께감을 사실적으로 재현하기 위해서는 각 손가락에 닿는 표면의 움직임과 표면 간의 거리를 고려해야 한다. 연구팀이 개발한 `스피노키오'는 한 쌍의 피버팅 하는 회전 원판을 엄지와 검지 각 손가락 끝에 접촉하게 함으로써, 손가락 사이에 있는 물체가 다양한 방향으로 미끄러지거나 회전하는 감각을 재현한다. 또한 연구팀은 두 원판 간의 거리를 조절함으로 가상 환경에서 실시간으로 다양한 물체의 두께와 형태의 촉감을 구현했다. 엄지와 검지 각 손가락 끝에 접촉한 표면의 움직이는 방향(1), 속도(2)와 폭(3)을 개별적으로 제어하여 `스피노키오'는 총 6-자유도 햅틱 피드백을 구현한다.
연구팀은 `스피노키오'를 활용해 표면의 움직임의 방향 변화에 대한 사용자들의 인지능력을 측정했고, 가상 물체를 재현했을 때 가상현실의 시각적 피드백이 촉각 피드백 인지에 큰 영향을 끼치는 것을 실험적으로 확인했다.
`스피노키오'의 활용 예시로 연구팀은 가상 환경에서 사용자가 손가락으로 힘을 주어 물체를 집어 올리거나 잡아당기거나 꼬집어 변형시키는 상호작용과 더불어 힘을 빼고 물체를 쓰다듬거나 떨어뜨리는 등 다양한 물체와의 상호작용을 제안했다.
연구를 주도한 안드리아 비앙키 교수는 "이번에 개발한 스피노키오는 이전과 달리 사용자가 움직이는 가상의 물체를 입체적으로 손으로 쥐는 햅틱 경험을 구현한 특징이 있으며, 3D 모델링 작업과 가상 교육 환경 등에 특히 응용되어 산업적 가치를 지닌다ˮ라고 설명했다.
한편 이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.05.12
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국내 최초로 ACM UIST서 최우수논문상 수상
우리 대학 산업디자인학과 안드리아 비앙키(Andrea Bianchi) 교수 연구팀이 지난달 23일 온라인으로 개최된 인간-컴퓨터 상호작용 분야 최우수 국제학술대회인 `ACM UIST 2020(The ACM Symposium on User Interface Software & Technology)'에서 상위 1%에게 주어지는 `최우수논문상(Best Paper Award)'을 수상했다고 18일 밝혔다.
ACM UIST에서 우리나라 주관기관이 최우수논문상을 수상한 것은 이번이 처음이다. 컨트롤러의 휨 강성을 실시간으로 조절해 가상 환경에서 사용자가 손으로 쥐고 움직이는 가상 물체를 사실적으로 체험할 수 있는 VR(가상현실) 컨트롤러인 `엘라스틱(ElaStick)'을 개발한 공로를 인정받았기 때문이다. (논문명 : ElaStick: A Handheld Variable Stiffness Display for Rendering Dynamic Haptic Response of Flexible Object)
이번 연구에는 산업디자인학과 유능 석사과정 학생이 제1 저자로 참여했다. 기존의 VR 컨트롤러 연구는 손에 쥐고 있는 가상 물체의 무게, 모양, 움직임을 표현하는 데에만 집중돼있어 사용자가 가상 물체를 쥐고 휘두를 때 발생하는 진동이나 갑작스럽게 움직임을 멈출 때 생기는 반동 등을 재현하는 데 많은 제약이 따랐다.
이 같은 문제점을 해결하고 높은 수준의 동역학적 반응을 제공하기 위해서는 물체의 모양, 크기, 재질과 관련된 물체의 강성을 고려해야 한다. 연구팀이 개발한 `엘라스틱(ElaStick)'은 모든 방향으로 자유롭게 휘어지는 구조물에 4개의 케이블을 연결하고, 각 케이블의 물질 조성을 조절해 전체 컨트롤러의 휨 강성 조절이 가능하다. 따라서 이 기술을 적용해 가상 환경에서 실시간으로 다양한 모양 및 크기를 가지는 가상 물체의 사실적인 일루젼(illusion)을 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 엘라스틱(ElaStick)을 활용해 강성 변화에 따른 사용자들의 인지능력을 측정하는 한편 가상 물체를 재현했을 때 VR 경험의 사실감과 몰입감 그리고 즐거움이 크게 향상되는 것을 실험적으로 확인했다.
안드리아 교수는 "미국 MIT, 마이크로소프트, 독일 막스 플랑크 연구소 등 저명한 대학과 기관이 수상한 바 있는 UIST 최우수논문상을 국내 최초로 수상하게 돼 매우 기쁘다ˮ고 말했다. 그는 또 "엘라스틱(ElaStick)은 향후 원격 로봇수술, 의료수술, 게임 등 다양한 가상 환경에서 실용적이면서도 상업적 활용 가치를 기대할 수 있다ˮ고 덧붙였다.
한편, 이번 `ACM UIST 2020'에서 KAIST 산업디자인학과는 안드리아 교수팀의 최우수논문상 수상 외에도 남택진 교수 연구팀이 `어너러블멘션(Honorable Mention)' 논문상을 받았다.
남택진 산업디자인학과장은 "총 7개의 논문상 중 국내 최초의 최우수논문상 수상과 어너러블멘션 논문상의 동시 수상은 KAIST 산업디자인학과의 위상과 연구 우수성을 입증한 결과ˮ라고 강조했다.
관련 유튜브 영상: https://youtu.be/jfIsgFb6hTY
2020.11.20
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1mm 크기 예쁜꼬마선충에서 노화 늦추는 단백질 찾았다
우리 대학 연구진이 '예쁜꼬마선충'(C. elegans)에서 수명 연장을 돕는 단백질을 찾아냈다.
우리 대학 생명과학과 이승재 교수와 포항공대 김경태 교수 연구팀이 예쁜꼬마선충에서 세포 내 에너지 조절 센서인 'AMPK'를 활성화해 노화를 지연시키는 단백질 'VRK-1'을 발견했다.
예쁜꼬마선충은 몸길이 1㎜ 정도의 선충류다. 배양이 쉽고 사람과 유전 정보 특성이 닮아 실험동물로 널리 활용된다.
한편 에너지 센서라 불리는 AMPK는 공복이나 운동 등으로 에너지 수준이 낮아질 때 활성화돼 세포가 항상성을 유지하도록 돕는다.
예쁜꼬마선충과 생쥐, 초파리 등에서 AMPK가 식이를 제한해 수명 연장을 돕는 역할을 한다는 연구는 그동안 활발히 진행되어 왔지만, AMPK를 자극하는 상위 조절 인자는 알려지지 않았다.
연구팀은 VRK1이 활성화될 때 2만여개의 예쁜꼬마선충 유전자가 단백질로 발현되는 패턴이 AMPK가 활성화될 때의 패턴과 비슷하다는 사실을 발견했다.
VRK1은 AMPK를 인산화시키고, 인산화된 AMPK는 미토콘드리아가 세포에 에너지를 공급하는 데 필수적인 과정인 '전자 전달계'의 기능을 억제함으로써 노화를 늦춘다는 것도 확인했다.
실제 VRK1의 자극에 반응하지 않는 AMPK 돌연변이 예쁜꼬마선충에서는 수명 연장 효과가 나타나지 않았다.
생명과학과 이승재 교수는 "이번 연구 결과는 AMPK 이상으로 인한 대사질환 치료와 항노화 약물 개발에 기여할 것"이라고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 7월 2일 자에 실렸다.
2020.07.16
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피부형 센서 패치 하나로 사람 움직임을 측정하는 기술 개발
우리 대학 전산학부 조성호 교수 연구팀이 서울대 기계공학과 고승환 교수 연구팀과 협력 연구를 통해 딥러닝 기술을 센서와 결합, 최소한의 데이터로 인체 움직임을 정확하게 측정 가능한 유연한 `피부 형 센서'를 개발했다.
공동연구팀이 개발한 피부 형 센서에는 인체의 움직임에 의해 발생하는 복합적 신호를 피부에 부착한 최소한의 센서로 정밀하게 측정하고, 이를 딥러닝 기술로 분리, 분석하는 기술이 적용됐다.
이번 연구에는 김민(우리 대학), 김권규(서울대), 하인호(서울대) 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 5월 1일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : A deep-learned skin decoding the epicentral human motions).
사람의 움직임 측정 방법 중 가장 널리 쓰이는 방식인 모션 캡처 카메라를 사용하는 방식은 카메라가 설치된 공간에서만 움직임 측정이 가능해 장소적 제약을 받아왔다. 반면 웨어러블 장비를 사용할 경우 장소제약 없이 사용자의 상태 변화를 측정할 수 있어, 다양한 환경에서 사람의 상태를 전달할 수 있다.
다만 기존 웨어러블 기기들은 측정 부위에 직접 센서를 부착해 측정이 이뤄지기 때문에 측정 부위, 즉 관절이 늘어나면 더 많은 센서가 수십 개에서 많게는 수백 개까지 요구된다는 단점이 있다.
공동연구팀이 개발한 피부 형 센서는 `크랙' 에 기반한 고(高) 민감 센서로, 인체의 움직임이 발생하는 근원지에서 먼 위치에 부착해서 간접적으로도 인체의 움직임을 측정할 수 있다. `크랙' 이란 나노 입자에 균열이 생긴다는 뜻인데, 연구팀은 이 균열로 인해 발생하는 센서값을 변화시켜 미세한 손목 움직임 변화까지 측정할 수 있다고 설명했다.
연구팀은 또 딥러닝 모델을 사용, 센서의 시계열 신호를 분석해 손목에 부착된 단 하나의 센서 신호로 여러 가지 손가락 관절 움직임을 측정할 수 있게 했다. 사용자별 신호 차이를 교정하고, 데이터 수집을 최소화하기 위해서는 전이학습(Transfer Learning)을 통해 기존 학습된 지식을 전달했다. 이로써 적은 양의 데이터와 적은 학습 시간으로 모델을 학습하는 시스템을 완성하는 데 성공했다.
우리 대학 전산학부 조성호 교수는 "이번 연구는 딥러닝 기술을 활용해 실제 환경에서 더욱 효과적으로 사람의 실시간 정보를 획득하는 방법을 제시했다는 점에서 의미가 있다ˮ며 "이 측정 방법을 적용하면 웨어러블 증강현실 기술의 보편화 시대는 더욱 빨리 다가올 것ˮ 이라고 예상했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(선도 연구센터 지원사업 ERC)과 기초연구사업 (중견연구자)의 지원을 받아 수행됐다.
< 피부형 센서 패치로 손가락 움직임 측정 모습 >
2020.05.20
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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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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
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박용근 교수, 성능 수천배 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀(KI 헬스사이언스 연구소)이 성능이 2천 배 이상 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술을 개발했다.
이번 연구를 통해 기존 무 안경 홀로그래픽 기술의 큰 문제점이었던 제한적인 영상 크기와 시야각을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
유현승 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 1월 24일자 온라인 판에 게재됐다.
공상과학 영화에 자주 등장하는 3차원 홀로그램은 대중에게 친숙한 기술이지만, 영화 속 홀로그램은 컴퓨터 그래픽 효과로 만들어낸 것이다. 실제 기술로 구현하기에는 한계가 많기 때문이다.
이 때문에 디스플레이 산업계는 2차원 영상 두 개로 착시 효과를 활용하는 가상현실(VR)과 증강현실(AR)에 집중하고 있다. 이 기술들은 3차원 이미지 대신 두 개의 서로 다른 2차원 이미지를 눈에 투사하는 방식을 채택한다.
3D안경 등 특수 장비 없이도 볼 수 있는 3차원 홀로그램을 만들기 위해선 공간광파면 조절기(빛이 퍼져나가는 방향을 정밀하게 조절할 수 있는 광학제어장치)를 이용해 빛의 방향을 변경해야 한다.
그러나 이와 같은 공간광파면 조절기를 3차원 디스플레이로 사용하지 못하는 가장 큰 걸림돌은 픽셀의 개수이다. 최근 각광받는 고해상도 모니터의 많은 픽셀 개수조차도 2차원 이미지에만 적합할 뿐 3차원 이미지를 만들기에는 정보량이 매우 부족하다.
이 때문에 기존의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기 1센티미터, 시청 가능 각도 3도 이내 수준으로서 실용성과는 거리가 멀다.
연구팀은 문제 해결을 위해 공간광파면 조절기만 사용하는 대신 간유리를 추가적으로 활용해 빛을 무작위로 산란시켰다. 무작위로 산란된 빛은 여러 방향으로 퍼지기 때문에 넓은 각도에서 시청 가능하고 영상 크기도 확대된다.
하지만 무작위한 패턴을 갖기 때문에 특별한 제어 없이는 3차원 이미지를 볼 수 없다. 연구팀은 빛의 결맞음(파동이 간섭 현상을 보이는 성질) 정도에 대한 수학적인 상관관계를 활용해 빛을 적절히 제어해 문제를 해결했다.
연구팀은 실험을 통해 가로, 세로, 높이 2센티미터 영역에 약 35도의 시청각을 갖는 3차원 이미지를 제작하는 데 성공했다. 이는 기존의 공간대역폭보다 약 2천 600배 이상 향상된 결과이다.
연구팀의 홀로그래픽 디스플레이는 기존의 공간광파면 조절기에 간유리를 추가하는 것만으로 제작이 가능해 일반적인 디스플레이 장치와 결합해 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 유현승 학생은 “물체의 인식을 방해한다고 여겨진 빛의 산란을 적절히 이용해 기존 3차원 디스플레이보다 향상된 이미지를 만들 수 있음을 선보였다”며 “특수 안경 없이 볼 수 있는 실용적인 디스플레이의 기반이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 시간역행반사 창의연구단 사업과 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 모식도
그림2. 2 cm × 2 cm × 2 cm 영역에 만들어진 3차원 이미지
그림3. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 원리
2017.01.24
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생명화공 정희태교수, 세계최초 액정 초미세 나노패턴소자 개발
- 15일자 네이처 머티리얼스誌 온라인판 게재- 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 기대우리 학교 생명화학공학과 정희태(鄭喜台, 42) 교수 연구팀이 액정 디스플레이 (LCD)의 핵심소재로 잘 알려져 있는 액정물질을 이용, 나노기술의 핵심인 차세대 초미세 나노패턴소자를 세계최초로 개발했다. 관련 연구논문은 15일자 네이처 머티리얼스(Nature Materials)誌 온라인판에 게재된다. 나노패턴 제작은 차세대 초고밀도 반도체 메모리기술과 바이오칩 등 나노기술의 핵심분야다. 특히, 鄭 교수팀의 액정을 이용한 패턴구현은 기존의 패턴 방식에 비해 대면적을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 바이오 특성을 가지는 나노물질도 액정 패턴 내에 배열할 수 있다는 것이 큰 장점이다.
LCD를 구동하는 물질인 네마틱 액정과 달리 鄭 교수가 사용한 스메틱 액정은 LCD 응답특성이 매우 우수함에도 불구하고 자연적으로 존재하는 결함구조 때문에 LCD 구동물질로 사용하지 못하고 있다. 이러한 스메틱 액정은 기판의 표면특성에 따라서 무질서한 형태의 회오리 형 결함구조를 가진다. 이번 연구에서는 마이크로미터 수준의 직선이 새겨진 표면 처리된 실리콘 기판을 사용함으로써 무질서한 회오리 형태의 액정 결함구조를 규칙적으로 제어하였다(첨부 자료그림 참조). 특히 이 공정은 기존의 나노패턴에 적용하는 방식과 비교하여 제작시간을 수십 배 이상 줄일 수 있으며, 결함구조 내에 다른 형태의 기능성 물질도 규칙적으로 배열 할 수 있음을 확인하였다. 이는 다양한 형태의 패턴이 필요한 실제 반도체와 단백질 칩 등의 바이오 소자에 적용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다 (자료그림 중 삽입사진 참조).
이번 연구결과로 LCD의 세계적 강국인 우리나라가 액정을 이용한 나노분야에서도 세계 최고의 원천기술을 갖게 되었다. 향후 액정을 이용한 새로운 응용의 신기원을 열게 되었으며, 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 및 막대한 부가가치 창출 등을 통해 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 연성재료(Soft Materials)를 이용하여 나노패턴을 제조하는 기술은 전 세계적으로 나노-바이오 분야에서 큰 이슈가 되는 연구로써, 연구의 핵심은 바이오 및 광전자소자 응용을 위하여 대면적에서 결함이 없는 소재의 개발에 있다. 이번 鄭 교수팀이 적용한 액정은 결함구조를 가지는 대표적인 물질로서 지금까지 학계에서는 대면적 나노패턴이 불가능하다고 인식돼 왔다.
鄭 교수는 “이번 연구결과는 연성소재를 이용한 나노패턴소자 제작방식의 기존 개념을 완전히 뒤엎는 것이다. 결함을 없애야만 한다는 기존의 생각에서 탈피하여 결함을 규칙적으로 구현하면 패턴에 이용할 수 있다는 발상의 전환으로 대면적 나노패턴을 개발했다는데 의미가 있으며, 향후 나노분야 전반에 걸쳐 영향이 클 것” 이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 鄭 교수(교신저자)의 주도 하에 KAIST 물리학과 김만원 교수팀과 미국 캔트 주립대학의 액정센터 올래그 라브랜토비치(Oleg Lavrentovich)교수가 함께 일궈낸 성과다. 鄭 교수는 나노물질분야에서 사이언스, PNAS, Advanced Materials에 최정상급 논문을 다수 발표하는 등 나노물질 분야에서 차세대 주자로서 두각을 나타내고 있는 젊은 과학자다.
<해설>
액정: 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다. 현재 LCD에 사용하는 액정은 네마틱 액정이며 콜레스테릭 액정은 반사거울과 초정밀 온도계에 사용된다. 鄭 교수팀이 사용한 액정은 스메틱 액정으로서 네마틱 액정보다 자연계와 합성물질에서 더욱 많이 존재하고, 산업체와 학계에서 오랜기간 동안 연구해 왔음에도 불구하고 결함구조 등의 문제점으로 인하여 산업에 적용하지 못하고 있는 물질이다.
<첨부. 수 밀리미터 크기의 대면적 액정물질 나노패턴 현미경 사진>우측상단 삽입사진은 액정나노패턴내에 형광나노입자를 규칙적으로 포집한 리소그라피 제작사진
2007.10.15
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