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손상된 양자얽힘을 되돌리는 기술 개발 성공
현시대 컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 해결하려는 기술이나 고전적으로는 도달할 수 없는 높은 정밀도의 구현, 그리고 원천적으로 해킹이 불가능한 통신 기술들의 공통점은 바로 양자정보 기술을 활용한다는 것이다. 현재 많은 관심을 받고 있는 양자정보 기술의 대부분은 양자얽힘이라는 양자적 특성을 기반으로 한다.
우리 대학 물리학과 라영식 교수 연구팀이 약한 양자측정을 양자얽힘 검증에 도입해 양자얽힘의 직접적 검증을 진행하고, 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 되돌림 측정을 이용해 양자얽힘을 원래대로 되돌리는 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.
양자얽힘은 고전 물리로 설명될 수 없는 양자 물리의 고유한 특성으로서 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자 중 한쪽의 상태가 결정되는 순간 다른 쪽의 상태가 결정되는 독특한 현상을 나타낸다. 양자얽힘의 존재는 양자측정을 사용하여 검증해야 하지만, 이러한 측정 과정 자체가 양자얽힘을 파괴하는 문제가 있어 검증이 완료된 양자얽힘 상태를 차후 양자기술에 활용하는데 어려움이 있었다.
하지만, 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 양자얽힘을 완전히 파괴시키지 않는 ‘약한 양자측정’을 도입하여 양자얽힘을 검증하였고, 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 ‘되돌림 측정’을 이용해 원상태로 되돌리는 기술을 개발하였다.
‘약한 양자측정’이란 양자상태를 측정할 때 양자상태에 가해지는 변화를 줄이면서도 필요한 정보를 얻어낼 수 있는 양자측정 기술이다. 약한 양자 측정을 양자얽힘 검증에 도입할 경우, 양자얽힘을 완전히 파괴하지 않고도 양자얽힘이 존재하는지 확인할 수 있다.
약한 양자측정 이후 양자상태에 남아 있는 양자얽힘의 양은 원래의 양보다는 적다. 연구진은 ‘되돌림 측정’을 도입해 줄어든 양자얽힘을 원래대로 되돌릴 수 있음을 보였다. 약한 양자측정의 역과정에 해당하는 되돌림 측정은 손상된 양자상태를 일정 확률로 원래대로 되돌려 양자얽힘을 원상태로 복구할 수 있다. 이러한 복구 과정은 앞서 시행한 양자얽힘 검증과 상호 교환 관계가 있어, 연구팀은 두 값을 적절히 조정할 시 양자얽힘의 존재를 검증함과 동시에 되돌려진 양자얽힘을 다시 활용할 수 있음을 보였다.ﾠ
라영식 교수는 "이번 연구를 활용하여 검증된 양자상태를 양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송과 같은 다양한 양자 기술 분야에 적용할 수 있을 것ˮ이라고 연구의 의의를 설명했다.
물리학과 김현진 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 정지혁, 이경준 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 2023년 10월 온라인판으로 정식 출판됐다. (논문명: Recovering quantum entanglement after its certification)
한편 이번 연구는 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업)과 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자지원사업)의 지원을 받아 수행됐다.
2023.10.12
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촉매 반응 활성도의 정량적 분석이 가능한 측정 플랫폼 개발
우리 대학 신소재공학과 정우철 교수, 기계공학과 이강택 교수와 충남대학교 김현유 교수 공동 연구팀이 촉매 반응점 탐색 및 각 지점의 활성을 정량적으로 측정할 수 있는 금속 나노입자 기반 분석 플랫폼 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.
촉매란 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응 속도를 빠르게 만드는 물질을 말하며, 반응에 참여하지만 소모되지 않기 때문에 소량만 있어도 반응 속도에 지속적으로 영향을 미칠 수 있는 물질이다. 반응을 빠르게 하는 촉매 반응은 더 적은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 다양한 산업에 활용되고 있다. 백금 등을 이용해 화석 연료의 연소로 인해 발생하는 배기가스의 해로운 부산물을 분해하는 반응을 예로 들 수 있다.
연구팀은 균일한 크기의 금속 나노입자 합성 기술과 3차원 전자 단층촬영 기법을 활용해 촉매 핵심 반응점인 금속-가스-산화물 및 금속-가스상 접합 계면의 수를 정량적으로 분석했으며, 이 같은 결과를 측정된 촉매 반응성과 연계시키는 방식으로 촉매 반응 활성도의 정량적 분석이 가능한 측정 플랫폼을 설계했다. 이러한 기술은 특정 반응에 활용이 제한되지 않기 때문에 향후 여러 촉매 반응 분야에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
신소재공학과 이시원, 하현우 박사후연구원, 기계공학과 배경택 박사과정생 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 재료화학분야 국제 학술지 `켐(Chem, IF=22.804)'에 12월 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : A measure of active interfaces in supported catalysts for high-temperature reactions).
금속 나노입자 촉매는 매우 적은 양으로 우수한 촉매 활성을 보일 수 있다는 가능성으로 에너지·환경 등 여러 분야에서 큰 관심을 받고 있다.
하지만 나노입자로 구성된 촉매 소재는 높은 작동온도에서 서로 응집되는 특성이 있으며 이는 결과적으로 촉매 활성을 저해하는 한계로 작용한다. 그뿐만 아니라, 실제 반응 작동 환경에서 금속 입자 촉매의 구체적인 반응 활성 지점이 어디인지, 각 지점에서의 반응활성도는 얼마나 되는지 그 양을 정량적으로 비교·분석할 수 있는 기술이 없어 해당 분야 발전에 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 균일한 크기로 금속 나노입자 촉매를 합성해 입자의 구조를 제어하는 데 성공했으며, 이를 산화물 막으로 감싸는 코팅기술을 적용해 고온에서 나노입자가 응집되는 현상을 해결했다. 여기에 3차원 전자 단층촬영 기법, 스케일링 관계식, 그리고 밀도범 함수 이론을 적용하고 이를 다양한 조건에서 측정한 반응성과 연계시킴으로써 구체적인 반응 지점 및 활성을 규명했다.
연구팀은 이번 연구에서 대표적 귀금속 촉매인 백금과 고온 촉매 반응인 메탄산화반응을 활용했으나, 이번 기술은 향후 소재 종류 및 반응 종류에 상관없이 다양한 분야에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있다.
정우철 교수는 "이번 연구를 통해서 주어진 반응에 대한 금속 나노입자 촉매의 반응 특성을 정량적으로 분석할 수 있는 고신뢰성 측정 플랫폼을 구축했다ˮ며, "이는 앞으로 우수한 복합촉매 소재 선별 등 촉매설계 종합 솔루션을 제공하는 데 활용될 것으로 기대한다ˮ 라고 말했다.
우리 대학 물리학과 양용수 교수, GIST 김봉수 교수 연구팀에서도 공동으로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.12.28
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반도체 다층 소자의 개별 층 두께를 옹스트롬 정확도로 비파괴 검사하는 기술 개발
우리 대학 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 삼차원 낸드플래시 메모리(이하 3D-NAND)의 비파괴적인 검사를 위해 광학 측정법과 머신러닝을 사용한 다층 두께 측정기술을 개발했다. 이 기술은 200층 이상의 초고밀도 3D-NAND 소자 공정 과정에서 전수검사 방법으로 사용돼 공정의 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.
3D-NAND 메모리는 수백층의 메모리 셀이 적층되어 있는 메모리 반도체로, 기존의 평면형 플래시 메모리와 비교하여 저장용량과 에너지 효율이 매우 우수하여 개인용 USB부터 서버 시스템까지 다양하게 사용되고 있다.
기존에는 수직으로 적층된 반도체 셀들의 두께를 측정하기 위하여 전자현미경을 사용하였다. 하지만 전자현미경을 사용한 방법은 샘플의 단면을 이미징하기 위하여 샘플을 절단해야 하고 비용도 많이 들기 때문에, 전수검사로서는 적합하지 않은 문제가 있었다.
연구팀은 반도체 다층 구조가 초고속 광학 시스템에 자주 사용되는 유전체 거울의 구조와 유사하다는 점에 착안하여, 유전체 거울의 분석에 활용되는 광학 스펙트럼 측정법을 반도체 다층 구조에도 적용했다.
연구팀은 엘립소미터(ellipsometer)와 스펙트로포토미터(spectrophotometer)를 이용한 반도체 다층 샘플의 스펙트럼 측정과 머신러닝 알고리즘을 활용하여 200층이 넘는 반도체 물질의 각 층 두께를 1.6 옹스트롬 (1Å = 1미터의 100억 분의 1)의 평균제곱근오차로 예측할 수 있는 방법을 개발했다. 이 기술은 삼차원 반도체 소자의 검수 공정, 적층 공정, 그리고 식각 공정의 정확도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 또한 시뮬레이션 스펙트럼 데이터를 생성해 개별 층의 두께 불량을 검출할 수 있는 머신러닝 학습법도 개발했다. 그 결과 반도체 물질 적층 시 목표로 설정한 두께보다 약 50Å만큼 얇게 제작된 샘플들을 정상 범주의 샘플들로부터 성공적으로 분리할 수 있었다. 연구팀이 개발한 불량샘플 검출법은 시뮬레이션 데이터를 활용하기 때문에 큰 비용이 들지 않으며, 공정의 초기에 발견될 수 있는 불량 샘플들을 효과적으로 검출할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 글로벌 IT 기업들의 서버 시스템에 대한 수요가 늘어나고 높은 저장용량을 가진 스마트 기기들이 개발됨에 따라, 초고밀도, 초고효율을 갖는 3D-NAND 메모리가 반도체 시장에서 각광받고 있다. 이번 연구 결과는 다양한 삼차원 반도체 소자들의 비파괴적인 검수를 위해 활용될 수 있다.
김 교수는 “비파괴적인 광학 측정법과 머신러닝을 결합한 방법은 다양한 반도체 검수 공정에도 적용할 수 있다”고 밝히며, “다양한 반도체 소자들의 형상이나 공정 조건 모니터링에도 광학측정법과 머신러닝을 결합한 접근방식을 활용할 것”이라고 말했다.
기계공학과 곽현수 박사과정 학생이 제1저자로 참여하고 삼성전자 메모리 계측기술팀과의 산학협력연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘라이트: 어드밴스드 매뉴팩처링(Light: Advanced Manufacturing)’ 창간호에 1월 12일 게재됐다. (논문명: Non-destructive thickness characterisation of 3D multilayer semiconductor devices using optical spectral measurements and machine learning)
이번 연구는 삼성전자 산학연구과제의 지원을 받아 수행됐다.
2021.01.13
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초고속, 초정밀 펄스비행시간(TOF) 센서 개발
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.
2020.02.12
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미세 입자 질량 측정용 파이펫 형태 공진기 개발
우리 대학 기계공학과 이정철 교수 연구팀과 서울대학교 기계항공공학부 고상근 교수 공동 연구팀이 일반 실험실에서 쉽고 간단하게 제작 가능한 액상 부유입자 정밀 질량 측정용 마이크로 파이펫 공진기를 개발했다.
위 기술은 유리 캐필러리를 열 인장하는 방법으로 간단하게 제작한 공진기를 이용해 캐필러리 내부 채널을 통과하는 액상 부유 입자의 질량을 정밀하게 계측할 수 있는 기술이다.
고주희 석사과정과 서울대학교 이동혁 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 센서 분야 대표 국제 학술지 ‘에이씨에스 센서스(ACS Sensors)’ 2019년 12월 27일 자 내부표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : Micropipette Resonator Enabling Targeted Aspiration and Mass Measurement of Single Particles and Cells, 단일 세포의 선택적 흡입 및 질량 측정을 위한 마이크로 파이펫 공진기)
모든 물체는 각각의 고유한 진동수를 가지고 진동하며 이 고유 진동수는 질량의 영향을 받는다. 마이크로 유체 채널 또한 마찬가지로 유체 채널을 공진 센서 플랫폼으로 제작해, 입자를 포함한 유체가 공진 센서 내부로 주입됐을 때 바뀌는 고유 진동수의 변화로 미세 입자의 질량을 측정하는 연구들이 지금까지 널리 진행돼왔다.
하지만 지금까지의 기술은 주로 고가의 복잡한 마이크로 및 나노 공정에 의존해왔고 측정 표본이 밀폐된 공간에 보관됨으로써 필요한 영양분들이 고갈될 수도 있다는 문제점이 있었다.
이번 연구에서는 열린 구조의 파이펫 공진기를 고안하고 제작해 배양 접시와 같이 실제 세포가 배양되는 환경에서 선택적으로 원하는 세포만을 흡입해 측정하는 시스템을 최초로 구현했다.
실험 시에 여러 입자(또는 세포) 중 특정 입자(세포)를 측정하기 위해 파이펫 공진기를 통과하는 유량을 제어했고, 도립현미경 위에서 실험을 진행했다. 선택된 특정 입자는 파이펫의 열린 입구에서부터 측정부로 이동하게 된다.
연구팀은 초당 수십만 번 떨리는 진동을 측정하기 위해 CD 및 DVD와 같은 광디스크 재생장치에 사용되는 광 픽업 장치(Optical PickUp, OPU)를 이용했다.
연구팀은 레이저 다이오드에서 렌즈를 통과해 조사된 빛이 공진기에서 반사된 후 광센서로 입사되는 신호를 분석해 공진기의 진동주파수를 정밀하게 측정할 수 있었다. 추가로 고유 진동수에서 공진기의 떨림 현상을 극대화하기 위해 전압이 걸리면 기계적인 변형이 발생하는 압전 소자가 사용됐다.
이정철 교수는 “기존의 복잡한 마이크로/나노공정을 이용해 웨이퍼로 제작하던 초미세 정밀 센서를 일반 실험실 환경에서 유리 모세관을 이용해 간단하게 제작해 대체할 수 있다는 가능성을 봤다”라며 “또한 해당 장치는 이미 바이오 연구자들에게 친숙한 파이펫 형태로서 별도의 학습 및 훈련 없이 널리 이용될 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구결과는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. ACS Sensors 저널 내부표지
그림2. 유리 파이펫 공진기계장치의 개요와 제작방법
그림3. 입자의 질량 측정을 위한 파이펫 공진기의 실험 장치 구성도
그림4. 질량 따른 공진주파수의 변화 및 측정된 질량 스펙트럼 결과
2020.02.07
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공승현 교수, 30미터 정확도의 스마트폰 위치측정 기술 개발
〈 공승현 교수 연구팀 〉
우리 대학 조천식녹색교통대학원 공승현 교수 연구팀이 LTE 신호만을 이용해 실제 환경에서 평균 30미터 이내의 정확도를 갖는 스마트폰 위치 측정 기술을 개발했다.
김태선 연구원 및 조상재, 김보성, 정승환 석사과정이 참여한 이번 연구를 통해 연구팀은 KT와 협력해 기술 상용화를 추진하고 있다.
최근 전 세계적으로 도심 내에서의 신뢰도 높은 위치 기반 서비스를 제공하기 위한 다양한 기술 개발이 이뤄지고 있다. 그러나 우리나라처럼 기지국과 중계기가 혼재하는 이동통신 환경에서 새로운 장치를 추가하지 않고 이동통신 신호만을 이용하는 제한적인 기술로 넓은 도시 지역에서 높은 정확도와 완성도를 갖는 기술은 아직 보고되지 않고 있다.
일반적으로 GPS 등의 위성항법 시스템은 도심이나 아파트 단지 등 고층 건물이 밀집한 곳에서 극심한 신호의 난반사로 인해 위치 측정 오차가 발생하고 이로 인해 수백 미터 이상의 큰 오차가 발생하기도 한다.
이러한 문제로 최근에는 도심이나 실내에서 와이파이 신호의 RF 핑거프린트를 이용해 스마트폰의 위치를 파악하는 기술이 많이 사용된다. 그러나 이 기술은 여러 대의 와이파이 공유기 신호가 수신되는 특정 공간에서만 높은 신뢰도를 가지고, 공유기가 구축되지 않은 곳에서는 측정할 수 없거나 정확도가 현저하게 떨어진다는 한계가 있다.
연구팀은 스마트폰에서 얻을 수 있는 LTE 기지국 신호에 대한 다양한 측정치를 일정 위치마다 수집해 이를 LTE 핑거프린트(Fingerprint) 데이터베이스로 저장했다. 이후 임의의 사용자 스마트폰에서 측정한 LTE 신호 측정치를 서버로 전달하면 그 측정치를 LTE 핑거프린트 데이터베이스와 비교해 스마트폰의 위치를 파악하는 방식으로, 이는 RF 핑거프린트를 고도화한 기술이다.
연구팀이 개발한 기술의 특징은 LTE 신호를 측정해 얻은 다양한 데이터로부터 각 데이터의 특성에 따라 효과적으로 데이터베이스를 구성하고, 변화가 많은 이동통신 신호 환경에 강인한 최적의 패턴 매칭 기법을 활용하고 있다는 점이다.
연구팀은 개발한 LTE 핑거프린트 기술을 KAIST 교내, 주변 아파트 및 상업 단지를 포함 대전지역과 광화문 일대부터 인사동에 이르는 서울 도심에서 시연해 평균 30미터의 오차를 갖는 성능을 확인했다.
공승현 교수는 “현재 개발된 기술보다 더 높은 정확도를 갖는 LTE 핑거프린트 기술을 개발하는 것도 가능하며 5G에서는 LTE보다 2배 높은 평균 15미터 내외의 측위 정확도를 얻을 수 있다”라며 “머신러닝 기술을 이용해 기지국이나 중계기의 이설과 추가 등으로 LTE 신호 환경이 바뀌었을 때 이를 자동 탐지하고 LTE 핑거프린트 데이터베이스를 신속히 갱신하는 기술을 추가 연구할 계획이다”라고 밝혔다.
현재는 개발된 기술을 이동통신 시스템에 적용하기 위한 단계별 방안을 계획하면서 상용화를 추진 중이다.
□ 그림 설명
그림1. 기지국 LTE 핑거프린트의 실례
2019.04.16
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조영호 교수, 손목시계형 개인별 열적 쾌적감 측정기 개발
〈 조 영 호 교수, 윤 성 현 연구원 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀이 손목의 땀을 측정해 인간의 개인별 열적 쾌적감을 측정할 수 있는 손목시계형 쾌적감 측정기를 개발했다.
심재경, 윤성현 연구원의 주도로 개발한 이번 연구 성과는 융합, 과학 분야의 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 1월 19일자에 게재됐다.
인간이라면 누구나 더위를 느끼면 땀 발생률이 증가하며 추위를 느끼면 땀 발생률이 감소한다. 따라서 동일한 환경에서도 개인별 땀 발생률을 측정하면 개인마다 느끼는 더위와 추위 상태를 판별해 열적 쾌적감을 측정할 수 있다.
일반적인 냉, 난방기는 공기의 습도와 온도를 일정하게 유지하도록 동작하고 있기 때문에 동일한 온도와 습도여도 개인별 체질과 기후환경에 따라 개인마다 느끼는 추위와 더위 상태는 모두 다르다.
기존의 땀 발생률 측정기는 생리학 실험용으로 사용돼 펌프 및 냉각기 등의 큰 크기를 갖는 외부 장치가 필요하다. 피부 미용 용도는 크기가 작지만 장시간의 회복 시간을 필요로 하는 문제점이 있다.
연구팀은 작은 크기를 가지며 인간의 피부에 착용 가능하면서 환기구동기를 집적해 연속적으로 땀 발생률 측정이 가능한 손목시계형 쾌적감 측정기를 개발했다.
연구팀이 개발한 손목시계형 쾌적감 측정기는 인간이 느끼는 더위나 추위의 정도에 따라 땀 발생률이 변화하는 점에 착안해 땀 발생률을 측정해 주어진 환경 내에서 인간의 체감 더위와 추위를 파악할 수 있는 기술이다.
연구팀은 밀폐된 챔버가 피부에 부착됐을 때 습도가 증가하는 비율을 통해 땀 발생률을 측정하는 방식을 이용했다. 이 측정기는 피부에 챔버가 완전히 부착된 후 측정하기 때문에 외부 공기나 인간의 움직임에도 안정적인 땀 발생률 측정이 가능하다.
또한 소형 열공압 구동기를 집적해 챔버를 피부 위로 들어올려 자동 환기가 가능하다.
연구팀의 손목시계형 쾌적감 측정기는 주위의 온도나 습도에 관계없이 인간의 인지기능에 따라 변화하는 땀 발생률을 측정할 수 있어 개인별 맞춤형 냉난방을 실현할 수 있다.
연구팀의 측정기는 직경 35mm, 두께 25mm, 배터리 포함 무게 30g으로 자동 환기기능을 갖추고 있으며 기존 측정기 대비 무게는 절반 이하(47.6%) 47.6%, 소비전력은 12.8%에 불과하다.
6V 소형 손목시계용 배터리로 4시간 동작이 가능하며 사람의 걸음에 해당하는 공기흐름인 0~1.5m/s에서 안정적으로 작동하기 때문에 움직이는 상태에서 성능을 유지하여야 하는 포터블, 웨어러블 기기로 사용가능하다는 장점이 있다.
이를 이용해 연구팀은 실내 또는 자동차 내에서 기존의 냉, 난방기에 비해 훨씬 더 인간과 교감 기능이 뛰어난 새로운 개념의 인지형 냉, 난방기를 제작할 예정이다.
조영호 교수는 “기존 냉난방기는 주변의 온, 습도 기준으로 쾌적감을 판단해 개인적으로 느끼는 쾌적감과 무관하지만 우리가 개발한 쾌적감 측정기는 개인적 쾌적감을 판단할 수 있어 새 개념의 개인맞춤형 지능형 냉, 난방기로 활용 가능하다”며 “나아가 미래사회에서는 인간의 신체적 건강 뿐 아니라 정신적 건강과 감정 상태의 관리가 필요하기에 향후 인간과 기계의 감성 교감을 이룰 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업을 통해 수행됐으며 국내특허로 등록을 완료했다.
□ 그림 설명
그림1. 인간 열적 쾌적감 측정이 가능한 손목시계형 쾌적감 측정기
그림2. 손목시계형 쾌적감 측정기
그림3. 손목시계형 쾌적감 측정기의 동작 원리
2018.02.01
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유회준 교수, 무선으로 마취 심도 측정할 수 있는 기술 개발
〈 유 회 준 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 고려대학교 구로병원 최상식 교수, ㈜케이헬쓰웨어(대표 노태환)와의 공동 연구를 통해 무선으로 마취의 심도를 정확하게 파악할 수 있는 측정기를 개발했다.
하언수 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 9일 미국 샌프란시스코에서 열린 반도체 학술대회인 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
마취의 심도가 적정하게 유지되는 것은 환자에게 매우 중요하다. 마취가 얕으면 수술 도중 깨어나 큰 고통을 겪기도 하고, 반대로 마취가 너무 깊게 되면 심장발작, 합병증, 사망에 이르기도 한다.
프로포폴도 호흡을 억압하기 때문에 마취 심도가 깊어지면 사망 사고를 유발하기도 한다. 이런 사고 방지를 위해 마취 심도를 정량적으로 측정하려는 시도가 국내외로 활발하게 진행 중이다.
이러한 노력으로 개발된 마취심도계측기로 인해 마취 사고 발생률은 크게 낮아졌다. 그러나 기존의 제품들은 모니터링 장치에 연결하기 위해 긴 전선이 사용돼 번거로움을 유발한다. 또한 마취 약물 종류에 따라 심도를 측정할 수 없다는 한계가 있다.
연구팀이 개발한 마취 심도 모니터링 측정기는 마취 중인 환자의 이마에 접착된 패치를 통해 뇌파 신호 및 혈중 헤모글로빈 농도를 추출한다. 이를 정확히 제어하는 반도체 칩이 패치에 집적돼 무선으로 뇌파와 근적외선 분광 신호를 동시에 측정할 수 있다.
측정된 다중 신호들은 디지털 신호로 바뀌어 전달된 후 딥 러닝(Deep Learning) 기술을 이용해 환자의 마취 심도를 정확히 판단한다.
수술 시간이 길어지면 전극의 젤이 마르게 돼 뇌파 측정신호가 나빠지지만 연구팀은 이런 상황에서도 정확한 신호를 측정할 수 있는 회로 기법을 도입했다.
또한 실제 수술실에서 사용할 수 있는 초소형 근적외선 분광 센서가 붙어 있어 성별, 나이, 인종에 상관없이 유효한 신호 측정이 가능하다. 나아가 다중 신호를 이용하기 때문에 수술 중 전기 잡음을 유발하는 전기 소작기나 삽관 사용 중에도 신호 왜곡 없이 마취심도의 측정이 가능하다.
연구팀의 측정기는 기존 기기로는 측정이 불가능했던 케타민 등의 약물도 마취 심도를 측정할 수 있어 의료 분야에서 응용 가능할 것으로 기대된다.
유 교수는 “그동안 마취 심도 센서는 비싼 가격의 특정 외국회사 제품이 독점하는 형태였다”며 “환자들의 부담을 줄이면서 안전한 마취를 제공할 수 있어 새 제품을 개발할 수 있는 좋은 기회가 될 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 센서의 구성을 나타낸 모식도
그림2. 마취 심도의 측정 비교
2017.02.10
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자연계 초고속 현상을 측정할 수 있는 ‘아토과학’ 시대를 열다
- Physical Review Letters지 발표, 원자 의 초고속 시간 변화 측정 및 복원 성공 -
국내 연구진이 아토초 펄스*를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정하는데 성공하여, 자연계의 다양한 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 ‘아토과학’의 시대를 열었다.
※아토초 펄스 : 1 아토초는 10-18초이고, 펄스(pulse)는 맥박처럼 짧은 시간에 생기는 진동현상을 말함. 아토초는 다음의 비율에서 그 짧은 정도를 가늠할 수 있음. 우주나이 : 1 초 = 1 초 : 1 아토초
우리 학교 남창희 교수(55세)가 주도하고 김경택 박사와 금오공대 최낙렬 교수 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Physical Review Letters"지 3월호(108권, 3월 2일자)에 게재되었다. (논문명: Amplitude and Phase Reconstruction of Electron Wave Packets for Probing Ultrafast Photoionization Dynamics)
남창희 교수 연구팀은 아토초 펄스를 이용해 초고속 광이온화*를 계측하는데 성공하였다.
※ 광이온화 : 아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것.
남 교수팀은 아토초 엑스선 펄스와 펨토초(10-15초) 레이저 펄스를 이용해 헬륨 원자를 광이온화하고, 이 때 발생한 전자의 파속을 측정하여 초고속 광이온화 과정을 명쾌하게 규명하였다.
아토초 펄스를 이용한 원자의 초고속 광이온화 계측은 연구팀이 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능 광전자 계측장비에 의해 수행된 순수 국내 연구진의 결실이다. 연구팀은 지난 2010년에 고차조화파*를 이용해 세계에서 가장 짧은 60아토초 펄스를 생성한 바 있다.
※ 고차조화파 : 강한 펨토초 레이저를 기체원자에 집속하여 발생된 연엑스선 영역에서 레이저의 특성을 닮은, 매우 짧은 펄스폭을 가지는 우수한 연엑스선 광원
연구팀은 고출력 펨토초 레이저를 이용해 아르곤 기체에서 아토초 고차조화파 펄스를 생성하고, 이를 이용해 헬륨 원자를 광이온화시켜 원자에서 발생하는 초고속 광이온화 현상을 계측하였다. 남창희 교수는 “이번 연구는 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정한 것으로, 향후 이번 연구결과를 바탕으로 원자와 분자 내부에서 일어나는 초고속 현상을 계측하고 이를 이용해 원자와 분자의 상태를 조절하는 연구를 진행하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정하는데 기여할 계획”이라고 밝혔다.
2012.03.01
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고감도 나노광학측정기술 개발
- 머리카락 단면적의 70만배 보다 작은 나노유체기술과 나노광학기술을 융합한 바이오분석기술.- 신약개발 및 신경질환 조기진단기술로 활용 기대.
우리학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 소분자 생화합물 (small molecules) 검출을 위한 획기적인 고감도 나노광학측정기술을 개발했다.
소분자 생화합물은 분자량이 작은 생체내 분자들로 다양한 세포의 세포막을 드나들며 세포간의 신호전달 등에 큰 역할을 담당한다. 최근에는 제약업계에서도 소분자 생화합물을 이용한 신약 개발 관련 연구 및 개발에 큰 관심을 기울이고 있다.
그러나 이러한 소분자 생화합물은 대부분 특정 항원-항체 화학 결합반응을 유도하기 힘들어 기존에 많이 사용되는 형광이나 전기화학적인 방법으로 극소량을 분석하는데 어려움이 많았다.
정 교수 연구팀은 사람의 머리카락 단면적의 70만배 보다 작은 나노유체관내 유동특성을 이용해 나노몰(nM) 수준의 농도를 갖는 극미량의 소분자 생화합물의 농도를 국소적으로 증가시켰다. 이후 나노플라즈모닉 광학기술과 접목해 측정하는 빛의 세기를 1만배 이상 향상시켜, 별도의 생화학처리를 사용하지 않은 도파민(Dopamine)과 가바(GABA)와 같은 신경전달물질을 1초 이내에 구별하는 데 성공했다.
이 결과는 현존 세계 최고수준의 검출한계를 수백배 이상 향상시킨 기술로 평가받고 있다.
이번 연구결과는 앞으로 소분자 생화합물을 이용한 다양한 글로벌 신약개발은 물론, 알츠하이머병과 같은 퇴행성 신경질환의 조기진단 및 뇌기능 진단기술에 크게 기여할 수 있을 것이라 기대된다.
한편, 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업과 한국생명공학연구원이 지원하는 오픈이노베이션사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 오영재 박사과정 학생 주도하에 진행됐으며, 독일에서 발간되는 나노분야 국제저명학술지인 ‘스몰(Small)’지의 1월 17일자 표지논문으로 게재됐다.
2011.01.26
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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 물리량을 의미하며, 1mm 분해능은 수백 km의 거리에서 1mm의 차이를 측정할 수 있음.
특히 이 기술은 일반적으로 장거리를 측정할 때 나타나는 모호성(ambiguity)도 극복하여, 이론적으로 100만km를 모호성 없이 측정할 수 있다.
김 교수팀은 실제 700m의 거리에서 150nm의 분해능 구현에 성공하였고, 우주와 같은 진공상태에서는 1nm의 분해능 구현도 가능하다는 사실을 실험을 통해 검증하였다.
이번 연구결과로 향후 지구와 유사한 행성을 찾기 위한 편대위성군 운용* 및 위성 또는 행성 간의 거리측정을 통한 상대성 이론 검증과 같은 미래우주기술개발에 한 발 다가서게 되었다.
* 편대위성군운용(formation flying of multiple satellites) : 여러 대의 소형위성을 동시에 쏘아 올려 위성간의 거리를 측정함으로써, 지구와 유사한 행성을 찾거나 상대성이론 검증에 활용
위성 또는 행성 간의 정밀거리측정은 지구와 유사한 행성을 찾거나 상대성 이론을 검증하는 핵심기술로, 우주 선진국에서는 이 기술을 개발‧보유하기 위해 경쟁적으로 연구하고 있다.
김승우 교수는 “장거리를 1nm 분해능으로 측정할 수 있는 기술개발로, 우리나라도 편대위성군운용과 같은 미래우주핵심기술인 정밀거리측정 기술을 보유하게 되어, 명실 공히 우주 선진국으로 도약할 수 있는 기반을 마련하게 되었다”라고 연구의의를 밝혔다.
2010.08.17
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신소재공학과 박종욱 교수팀, 신소재 이용 전기화학식 이산화탄소 계측기 개발
공기중 산화물 이용, 옥외의 열악한 환경에서도 사용 가능
기존 광학방식보다 가격 저렴, 정확한 이산화탄소 농도 측정
습도에 영향 적게 받아 농산물 재배 등에 광범위하게 활용
대덕밸리 창업경진대회 금상, 대한민국창업대전 국무총리상 수상
신소재공학과 박종욱(朴鍾郁, 50) 교수팀이 자체 개발한 신소재를 이용, 전기화학식 이산화탄소 계측기를 개발하는데 성공했다.
이 계측기는 대기 중에 있는 이산화탄소와 선택적으로 반응하는 신소재(전극 보조물질)를 이용, 전기 화학 반응으로 발생하는 전압 상태를 이산화탄소 농도(ppm)로 환산하는 독창적인 원리를 적용했다.
기존의 이산화탄소 계측기는 이산화탄소가 특정 파장(4.26㎛)의 적외선만을 흡수하는 성질을 이용하여 적외선의 흡수 정도를 측정하는 엔디아이알(NDIR / Non-Dispersive Infra red) 광학방식이 주로 사용되었다. 그러나 이 방식은 민감한 광학측정계가 오염에 취약해 옥외의 열악한 환경에서는 사용하기 어려웠으며, 고가로 인하여 대중적인 사용에도 제한이 있었다.
朴 교수팀이 개발한 이 계측기는 공기 중의 산화물을 이용하기 때문에 옥외의 열악한 환경(상대습도 90%)에서도 사용이 가능하며, 광학방식에 비해 가격이 저렴하고, 이산화탄소 농도를 정확히 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 간단한 부품의 교환만으로 측정 센서의 교정이 가능해 기존 계측기의 정기적이고 복잡한 측정 센서 교정과정을 대폭 개선했을 뿐만 아니라 초미세 화학공정, 나노 공정에 활용 가능성을 열었다.
이산화탄소 가스는 지구의 온실효과를 유발하는 주범이기 때문에 교토 의정서를 기초로 최근 세계 각국은 이산화탄소세를 신설하여 이산화탄소 총배출량을 규제하고 있다. 반면, 이산화탄소는 농식물 생식 작용과 밀접한 관계가 있어 이산화탄소의 양을 적절히 조절하면 농작물의 질이나 생산성을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 장점도 가지고 있다. 예로서 버섯재배의 경우 800-1200 ppm의 이산화탄소를 유지시킬 경우 버섯의 질이나 생산성이 좋아지는 것으로 보고되고 있다.
또한 최근 실내 공기의 질에 대한 인식이 점차 높아지면서 올해부터 우리나라도 빌딩 관리법에 의한 빌딩 내 이산화탄소 양을 1000ppm 이하로 낮추도록 규제하고 있다. 그러나 과도한 환기는 에너지의 낭비를 가져오기 때문에 여러 사람들이 모이는 공공장소나 학교 교실에 이산화탄소 계측기를 설치하여 실내 환기시스템을 효율적으로 운영하는 것이 필요하다.
朴 교수는 “대기오염감시나 실내공기청정화, 농작물 관리 등을 위하여 이산화탄소 계측기 수요가 급속하게 늘고 있으나 수입에만 의존하고 있어 국산화가 시급하다.”며 “이번에 개발한 전기화학식 이산화탄소 계측기는 기존 광방식에 비해 습도에 영향을 거의 받지 않아 농산물 재배 등에 광범위하게 활용될 수 있을 것이다.”고 말했다.
이 이산화탄소 계측기는 대덕 밸리 창업경진대회에서 금상을, 2005 대한민국 창업대전에서 국무총리상을 수상한 바 있다. 현재 국내 특허를 출원한 이 제품의 양산을 위한 실험실 창업을 추진 중에 있다.
2006.01.06
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