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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 조회수 12065 -
유회준 교수, 딥러닝용 AI 반도체 개발
우리대학 전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀이 스타트업 '유엑스 팩토리'와 함께 가변 인공신경망 기술을 적용해 딥러닝을 효율적으로 처리하는 AI 반도체를 개발했다. 딥러닝이란 컴퓨터가 마치 사람처럼 스스로 학습할 수 있도록 인공신경망을 기반으로 구축한 '기계 학습' 기술이다.
유 교수 연구팀이 개발한 새로운 칩은 반도체 안에서 인공신경망의 무게 정밀도를 조절함으로써 에너지 효율과 정확도를 조절한다. 1비트부터 16비트까지 소프트웨어로 간편하게 조절하면서 상황에 맞춰 최적화된 동작을 얻어낸다. 하나의 칩이지만 '콘볼루션 신경망'(CNN)과 '재귀 신경망'(RNN)을 동시에 처리할 수 있다. CNN은 이미지를 분류나 탐지하는 데 쓰이며, RNN은 주로 시간의 흐름에 따라 변화하는 영상과 음성 등 데이터 학습에 적합하다. 또 통합 신경망 프로세서(UNPU)를 통해 인식 대상에 따라 에너지효율과 정확도를 다르게 설정하는 것도 가능하다.
모바일에서 AI 기술을 구현하려면 고속 연산을 '저전력'으로 처리해야 한다. 그렇지 않으면 한꺼번에 많은 정보를 처리하면서 발생하는 발열로 인해 배터리 폭발 등의 사고가 일어날 수 있기 때문이다. 연구팀에 따르면 이번 칩은 세계 최고 수준 모바일용 AI 칩 대비 CNN과 RNN 연산 성능이 각각 1.15배, 13.8배이 달한다. 에너지효율도 40% 높은 것으로 나타났다.
스마트폰 카메라를 통해 사람의 얼굴 표정을 인식해 행복, 슬픔, 놀람, 공포, 무표정 등 7가지의 감정을 자동으로 인식하는 감정인식 시스템도 개발됐다. 이 시스템은 감정 상태를 스마트폰 상에 실시간으로 표시한다. 유 교수 연구팀의 이번 연구는 지난 13일 미국 샌프란시스코에서 열린 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
유회준 교수는 "기술 상용화에는 1년 정도 더 걸릴 전망"이라며 " 모바일에서 AI를 구현하기 위해 저전력으로 가속하는 반도체를 개발했으며, 향후 물체인식, 감정인식, 동작인식, 자동 번역 등 다양하게 응용될 것으로 기대된다"고 설명했다.
2018.02.26 조회수 14370 -
모바일하버 사업, 올해의 세계 10대 최고 창업아이디어로 선정돼
- 호주 창업관련 웹사이트 StartupSmart.com.au, 10대 아이템 중 2위로
우리 대학이 연구개발 중인 모바일하버 사업이 ‘2011년 세계 10대 최고 창업아이디어’ 중 2위 아이템으로 선정됐다.
모바일하버 사업이란 수심이 깊은 해상에 정박 중인 대형 컨테이너선의 컨테이너를 하역해 육상 부두로 이송하거나 육상의 컨테이너를 해상의 컨테이너선에 이송하고 선적하는 ‘움직이는 항구’ 개념을 적용한 세계 최초의 해상운송관련 연구개발사업이다.
KAIST는 세계적인 창업관련 전문 웹 사이트인 ‘스타트업스마트(StartupSmart.com.au)’가 최근 발간한 뉴스레터 12월호에서 ‘모바일하버 시업’을 ‘2011년 10대 최고 창업아이디어’ 중 2위로 선정해 발표했다고 27일 밝혔다.
‘스타트업스마트’는 창업가를 꿈꾸거나 창업을 준비하는 전 세계 각국의 예비 창업주와 경영자를 대상으로 창업관련 각종 뉴스와 정보를 제공하고 있는 전문 웹 사이트로서 호주 멜버른에 위치해 있다.
‘2011년 세계 최고 10대 창업아이디어’ 로 꼽힌 ‘모바일하버 사업’은 지난 2007년 서남표 총장이 KAIST와 우리나라가 잘되기 위해서는 남들이 하지 않는 역발상적이면서 도전적인, 그리고 여러 학문과 기술이 융합된 종합적인 대형 연구과제를 다뤄야 한다는 생각으로 아이디어를 제시해 시작된 프로젝트다.
KAIST는 이후 2009년부터 정부지원과 자체예산을 투입해 원천기술과 실용화기술을 개발 중인데 올 6월 말 KAIST는 부산 부경대 앞 해상에서 선박 간에 안전한 도킹 후에 컨테이너를 상·하역하는 첨단 신기술을 선보인 바 있다.
그동안 KAIST가 중점적으로 개발해 온 모바일하버 관련 핵심기술은 ‘안정화 크레인 기술’인데 이 기술은 파도와 바람에 의해 흔들리는 상황에서도 안정적으로 컨테이너를 들어 올리고 원하는 위치에 내려놓는 기술이다.
지난 6월 시연회에서 KAIST가 선보인 크레인의 전후․좌우․상하 흔들림을 제어하는 새로운 개념의 ‘다단 트롤리(trolley)’와 스스로 위치를 보정하여 컨테이너를 체결하는 ‘지능형 스프레더(spreader)’는 기존 육상 크레인에서는 볼 수 없었던 새로운 기술들 이다.
이와 함께 각종 센서(sensor)를 통해 스프레더 및 상대선박의 움직임을 측정하고 실시간으로 컨테이너를 추적할 수 있도록 모바일하버에 최적화된 소프트웨어 및 신호처리 알고리즘이 적용됐다.
아울러 KAIST가 이날 선보인 ‘선박 간 자동도킹 기술’도 필수적이다. 수심이 낮아 항만에 접안할 수 없는 대형 컨테이너선의 하역작업을 위해서는 안정화 크레인 기술과 함께 먼 바다에 떠있는 컨테이너선에 모바일하버가 다가가 측면에 밀착해야 하기 때문이다.
파도와 바람의 영향으로 끊임없이 운동하는 두 선박 간에 안전하고 신속하게 도킹하여 일정 거리를 유지하는 것은 고난이도 기술로서, 사람이 로프를 주고받아 계류하는 기존방식은 사고 위험성이 높기 때문에 대형선박 간 해상 도킹은 사실상 포기돼 왔다.
이 같은 여러 문제에도 불구하고 KAIST는 ‘움직이는 항구인 ’모바일하버‘ 관련기술에 대한 연구와 기술개발에 나선지 2년만인 올 6월 성공적인 시연을 계기로 그동안 야심차게 추진해 온 모바일하버 관련기술의 상용화 가능성을 확보하는 데 성공했다는 게 산업계와 학계의 평이다.
또 모바일하버 관련 원천기술을 대형 기계시스템으로 구현했다는 점에서 많은 전문가들은 관련기술의 상용화에 더욱 탄력이 붙을 것으로 내다보고 있다.
이와 관련, KAIST는 모바일하버 관련기술이 본격 상용화될 경우 기존 해상물류시스템에 비해 새로운 해상운송수단의 옵션을 제공할 수 있어 다양한 용도와 함께 경제적으로 사용될 것으로 기대하고 있다.
수심이 낮거나 항만시설 미흡으로 대형 컨테이너선이 항만에 접근하지 못할 경우에도 해상에서 직접 상·하역이 가능하기 때문이다.
뿐만 아니라 대규모 항만공사로 인해 발생하는 환경파괴 문제를 해결할 수 있으며 해난사고 발생 시 인명구조 작업용으로도 사용할 수 있어 브라질, 인도네시아, 베트남, 중동, 아프리카 각국에서 지대한 관심을 보이고 있다는 게 KAIST의 설명이다.
한편 호주 ‘스타트업스마트(StartupSmart.com.au)’가 올 12월호 뉴스레터에서 발표한 ‘2011년 10대 최고 창업아이디어’에는 날씨에 데이터를 수집하고 대형 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻은 기상정보를 농부와 농작물 관련 회사에 제공해주는 미국
The Climate Corporation사의 ‘기후예측안내서비스’가 1위로 선정됐다.
이어 음주측정 기구와 같이 사람의 내쉬는 숨을 통해 결핵감염 여부를 쉽고도 정확하게 판독할 수 있는 인도의 ‘전자 코(E-Nose)’가 3위를, 딸기와 블루베리 등의 농작물을 훑어가면서 익은 농작물만 수확하는 ’로봇 농작물 수확기‘가 4위를 차지했다.
2011년 세계 10대 최고 창업아이디어
(출처: http://www.startupsmart.com.au/planning/10-best-start-up-ideas-of-2011/201112224944.html)
1위 기후예측안내서(WeatherBill): 농작물이 기후에 의해 망칠 수 있는 확률을 예측하는 서비스 제공. 구글도 이 창업회사(미국, 회사명: 기후주식회사, The Climate Corporation)의 투자사 가운데 하나임. 투자액 규모는 현재 4,200만 달러. 날씨에 관한 데이터를 수집하고, 대형 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻은 자료를 농부/농작물 회사에 제공함으로써, 경작 농작물에 필요한 강수량이나 절기별 기후를 예측해 경작 손실에 대비한 보험료 등을 책정하는데 도움을 줄 수 있음. 홍수 등 기후로 인한 재해도 예측함으로써 (농작의) 기후관련 위험부담을 줄여주기도 함.
2위 모바일하버(Mobile Harbor): 한국의 과학자들은 항만운송업에 큰 변화를 가져올 발명품을 시연했다고 하는데 바로 먼 바다로 나가는 이동항구다. 모바일하버는 대형 컨테이너 선박이 먼 바다에서 화물을 선적하고 하역할 수 있어, 복잡한 항만시설 사용을 위해 비싼 비용을 지불하면서까지 항구에서 대기하고 있어야만 하는 선박들의 어려움을 해소할 수 있다. 모바일항구는 대형바지선 모양의 흘수선(Shallow Draught)으로서 안정화 장치가 장착된 크레인을 가지고 있다. 또한, 모바일하버는 해상에서 임시 보호소를 제공할 수 있는 기능, 즉 해난 시 인명 구조작업용으로도 사용될 수 있다. ‘스마트 기능’이 겸비된 크레인은 출렁이는 바다 위에서도 화물을 흔들리지 않고 안정적으로 선박하고 하역할 수 있다. KAIST 김경수 교수에 의하면, 모바일항구는 브라질, 인도네시아, 중동, 아프리카 등에서 많은 관심을 받고 있다고 했다.
3위 전자 코(E-Nose): 인도 연구자들은 음주측정 기구처럼 사람의 ‘내쉬는 숨’을 통해 결핵감염 여부를 쉽고도 정확하게 판독할 수 있는 ‘전자코’를 개발했다고 함. 배터리를 사용하는 휴대용 전자 코는 결핵치료 및 감염 예방에 많은 도움을 줄 것임.
4위 로봇 농작물 수확기(Robotic Harvester): 딸기, 블루베리 등의 농작물 밭을 훑어가면서 익은 농작물만 골라서 수확하는 로봇 수확기는 그 동안 사람의 손에 의존했던 농작물 수확에 따른 일손을 크게 줄일 수 있는 발명품. 파종뿐만 아니라, 농작물을 따서 등급을 매기고, 선별 포장하는 작업을 통해 기존 노동력의 95%를 절감할 수 있음.
5위 인공강하(Airdrop): 사막 같은 건조한 지대에서도 농사를 가능케 하는 관계시스템. 사막에 살고 있는 딱정벌레(Namib Beetle)에서 영감을 얻음. 이 벌레는 밤새 사막에 내린 이슬을 등껍데기에 모아서, 이를 수분으로 활용해 생존. 이 시스템은 아주 건조한 지역이라도 대기 중에는 수분이 포함되어 있는데, 대기 온도를 낮춰 이들 수분을 응축시켜 물로 활용함. 땅속에 매설된 여러 개의 관에 공기를 투하시켜 땅속 저온에서 공기 중 수분이 이슬처럼 응축되면, 이를 수집해 농작물에 바로 제공함. 저렴한 비용으로 가뭄에 대처할 수 있는 대안이 될 수 있음.
6위 스마트초인종(Smart Bell): 13세 영국 소년이 개발, 집주인이 집을 비우더라도
핸드폰으로 원격으로 초인종에 대답할 수 있음. 또한, 주인이 대답할 때 배경
소음도 만들 수 있어, 집주인이 마치 집에서 인터컴을 통해 대답하는 것처럼
들려 절도나 강도 등을 예방할 수 있음. 또, 집으로 배달되는 물건을 접수할
때도—택배원에게 집 위치를 안내한다든지, 어디에 물건을 두라는 등—용이함.
7위 투자정보교환사이트(Investable): 호주 상장기업에 관한 모든 주식투자정보를
실명회원제를 사용해 기밀정보를 제외한 기타 투자와 관련된 모든 실질적인
정보를 정직하게 공개하고 토론하는 사이버공간. 투기조장을 막고 건전한
투자문화를 선도하며, 정확한 정보를 공유할 수 있는 이점이 있음.
8위 신혼부부를 위한 서비스(Essential Groom): 예비부부 혹은 신혼부부가 필요로 하는 일체의 정보를 온라인으로 제공하는 서비스. 즉, 신혼부부의 옷 입는 방법부터 시작해서 허니문, 혼인계약서 작성, 결혼식 및 파티 준비 등에 필요한 정보를 제공.
9위 테크노와이티(TechnowaiT) 1-2-3-GO!: 캐나다 퀘벡에 위치한 창업회사 테크노와이티(TechnowaiT)에서는 환자들이 병원에서 대기하는 시간 동안 다른 볼일을 볼 수 있도록 실시간으로 대기시간을 알려주는 서비스. 날로 늘어나는 의료환자의 병원대기시간에 따른 불편함을 해소. 환자가 병원에 도착해 등록을 하게 되면, 핸드폰 전화를 통해 실시간으로 대기 시간 및 진행상황을 통보해줌.
10위 휴대용 저울(Weight To Go): 미국의 한 창업회사는 짐가방에 부착된 휴대용 스마트 저울을 개발함. 디지털 저울, 가방주인 이름표 및 열쇠의 세 기능이 겸비된 일종의 스마트 휴대용 가방. 저울은 휴대용 짐 가방 손잡이 밑에 부착되어 손잡이를 몇 초 동안 당겼다가 놓으면 가방에 부착된 디스플레이에 무게가 표기됨.
2011.12.27 조회수 18132