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김은성 교수팀, 초고체 헬륨에서 숨겨진 상(Hidden Phase) 존재 규명
- 초고체 헬륨에서 나타나는 이력현상과 동적 분산현상의 설명이 가능해져
- 세계적 권위지인‘Nature Physics’4월 5일자 온라인 게재
우리는 평소에 고체, 액체, 기체라는 세가지 대표적인 물질상태에 대해 배운다. 하지만 지난 100년간 물리학자들은 수많은 노력으로 그 외에서 초전도체, 초유체 등 많은 새로운 상태가 있다는 것을 밝혀냈고 이런 발견들은 종종 노벨상으로 이어지기도 했다.
2004년에는 -273℃(200 mK)의 극저온으로 가면 일부 고체 헬륨의 점성이 완전히 사라진다는 놀라운 사실이 발견되었고 이 새로운 상태는 초고체라 불린다. KAIST 물리학과 김은성 교수(39)는 이 초고체 상태를 세계 최초로 보고한 장본인이다. 하지만 왜 초고체가 생기는지 그 근본원인은 아직 베일에 싸여있었다.
최근 김은성 교수와 최형순 박사(30)팀은 교육과학기술부 창의적 연구진흥사업의 지원을 받아 비틀림진동자라는 초정밀 분석장치를 이용해 초고체 상태에 숨겨진 상(像)의 발견에 성공했다.
초고체가 진동의존성과 온도의존성을 보인다는 사실은 김 교수 자신에 의해 이미 밝혀져 있었다. 이번 연구에서는 초고체를 특정 온도에서 약하게 진동시키다가 갑자기 강하게 진동시킬 때 나오는 반응으로 초고체의 동역학을 실시간으로 분석했다. 이 때 김교수팀은 시간에 따른 초고체의 반응이 온도에 따라 크게 달라진다는 사실을 알아냈다. 더불어 연구팀은 진동 세기를 변화시켰을 때 바뀌기 이전 상태의 특성이 어느 정도 지속되는 이력 현상을 발견했다. 이는 초고체 상태에도 여러 단계의 서로 다른 안정한 상태가 존재한다는 것을 뜻한다. 이번 연구결과는 4월 5일 세계적 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 온라인판에 게재됐다.
김 교수는 “이번 연구결과로 21세기 순수물리의 최대 발견 중 하나로 꼽히는 초고체 상태에 대한 이해를 넓혀 초고체 연구분야에서 세계를 주도하는 위치에 서게 됐다”고 의미를 부여했다.
○ 용어해설 : 초유체는 2.17 K에서 액체 헬륨의 점성이 완전히 사라지는 상태를 말함. 초전도체는 저항 없이 전기가 흐를 수 있는 물질임.
<김은성 교수>
KAIST 물리학과 김은성 교수는 ‘초고체’ 현상 이라는 새로운 물질상태를 세계최초로 발견해 이 연구 분야를 개척하였고 이 결과를 인정받아 2008년에는 Lee Osheroff Richardson상을 수상하였다. 현재 교육과학기술부 창의적 연구진흥 사업의 지원을 받아 초고체 현상 규명에 대한 연구에 매진하고 있다. (042-350-2547,eunseong@kaist.edu)
2010.04.05
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KAIST 출신 차미영 박사, 트위터 사용자 영향력 분석
- 트위터 팔로워 숫자는 영향력 결정기준으로 무의미
- 팔로워 수에 집착하는 트위터 문화나 현재 광고 기법의 오류를 지적
소셜 미디어(Social media)의 직접링크는 우정에서 공통의 관심사 혹은 최신뉴스나 유명인의 가십까지 모든것을 얻을 수 있다.
이런 직접링크는 정보의 흐름을 결정하며 다른 사람에 대한 사용자의 영향력을 암시하기도 한다. 이것은 바이럴 마케팅(Viral Marketing)과 사회학 분야에서 중요한 개념이다.
대표적인 소셜 미디어인 트위터 연구를 통해 ‘많은 팔로워(follower)를 가진 사람이 인기있는 트위터일 수 있지만 그들의 영향력과는 반드시 관계있는 것은 아니다‘라는 연구결과가 나왔다.
이 연구는 KAIST 전산학과를 졸업학고 독일의 저명한 막스 플랑크(Max Planck)연구소에서 박사후 연구원으로 있는 차미영 박사를 주축으로 하는 연구팀이 트위터 사용자의 영향력(influence)을 어떻게 측정할 수 있을까에 대한 주제를 다룬 것이다.
5천만의 트위터 사용자 정보(User Accounts)와 20억개의 소셜 팔로워 링크(Social Follow Links), 그리고 17억개의 트윗메시지(Tweets) 등 대용량 데이터가 연구자료로 사용됐다.
차 박사팀은 트위터의 이 자료를 통해 트위터의 세가지 기능적인 측면, 트위터 사용자는 정보를 받을 수 있고(indegree), 재전송하고(retweet), 인용하는(mention) 측면에서 영향력을 분석, 비교해 흥미있는 사실을 발견했다.
가장 많이 보는 트위터, 가장 많이 재전송되는 트위터, 가장 많이 언급되는 트위터는 연관성 없이 각각 별개의 요소로 영향력을 행사하고 있었다. 이 세가지 측면에서 선정된 20개의 트위터 가운데 중복된 트윗은 단 두 개뿐이었다. 또한 다른 사람에게 중대한 영향력을 행사하는 트위터 사용자는 전문가로서 특정한 분야에 대해 영향력을 행사하지 않고 광범위한 주제에 걸쳐 중요한 영향력을 행사하고 있었다.
이번결과로 연구팀은 세 가지 결론은 얻었다. 첫째, 많은 팔로워를 가진 유명한 사용자는 정보의 재전송(retweet)와 인용(mention) 측면에서 살펴보면 큰 영향력이 있지 않다.
둘째, 대부분의 영향력 있는 사용자는 다양한 토픽에서 큰 영향력을 가지고 있다.셋째, 영향력은 즉각적으로 또한 우연히 얻어지는 것이 아니라 하나의 주제에 대해 받는 정보의 조건인 트위터 수를 제한하는 일련의 노력으로 얻어진다. 즉, 어떤 주제에 관심이 있을 경우 무작위로 모든 트위터로부터 정보를 제공받지 않고 선별해서 받는다.
해당 연구에서는 이를 ‘백만 팔로워의 오류(The Million Follower Fallacy)‘라고 말한다.
차 박사팀은 이러한 발견이 바이럴 마켓팅에 관한 새로운 견해를 제시하고 있다. 즉, 인기있는 트위터(블로그)를 통한 바이럴 마켓팅 전략이 반드시 효율적이지 않을 수 있다는 견해다. 정보를 받아들이는 표면적인 수치만으로는 사용자의 영향력을 가늠하기 어렵다는 것이다.
KAIST 전산학과 문수복 교수는 “차 박사의 이번 연구는 소셜 미디어 분야에서 트위터가 가지는 무한한 가능성을 제시한 논문으로써 경제학, 사회학, 전산학 등 다양한 학문 분야 간 융합 연구의 디딤돌이 될 연구”이라고 말했다.
특히 트윗 메시지 데이터는 트위터 서비스의 초반부터 모든 사용자가 적은 공개 메시지를 포함하고 있어 앞으로 사회과학의 다양한 문제들을 해결할 수 있는 가능성을 지니고 있다. 이러한 데이터는 2009년 여름 트위터의 허가 아래 수집된 것으로 추후 연구를 위해 http://twitter.mpi-sws.org/에서 공개할 예정이다.
차 박사는 현재 트위터 데이터를 활용하여 이미 국내외 과학자들과 협업을 하고 있다. 이 중 KAIST 전산학과 오혜연 교수와는 트위터의 사용을 통해 행복(happiness)이 전파될 수 있는지를 살펴봄으로써 소셜 미디어가 가진 심리적 기능성을 연구하고 있다. 또한 KAIST 전산학과 정교민 교수와 트위터와 같은 쇼셜 미디어에서 메시지를 더 빠르게 전파시키거나 혹은 메시지의 전파를 막을 수 있는 기법에 대한 연구를 진행중이다.
이번 연구는 뉴욕타임즈와 ReadWriteWeb.com과 같은 유명 블로그 및 소셜 미디어에서 소개된 바 있다. 차 박사는 2008년 2월 KAIST 전산학과 문수복 교수의 ‘첨단 네트워킹 연구실’에서 박사과정을 마쳤다.
<뉴욕타임즈>
http://www.nytimes.com/external/readwriteweb/2010/03/19/19readwriteweb-the-million-follower-fallacy-audience-size-d-3203.html
http://www.readwriteweb.com/archives/the_million_follower_fallacy_audience_size_doesnt_prove_influence_on_twitter.php
<용어설명>
○소셜 미디어(Social media) :
쌍방향 커뮤니케이션이 가능한 인터넷 미디어를 말한다. 신문이나 방송처럼 일방향으로 정보를 전달하는 것이 아니라 사용자들이 참여하고 그 정보를 공유할수 잇도록 만드는 참여형 미디어로 트위터, 블로그, 유투브, UCC 등이 있다. 사람들이 자신의 생각과 의견, 경험, 관점 등을 서로 공유하고 참여하기 위해 사용하는 개방화된 온라인 툴과 미디어 플랫폼으로 가이드와이어 그룹의 창업자인 크리스 쉬플리가 처음 이 용어를 사용하였다. 소셜미디어는 그 자체가 일종의 유기체처럼 성장하기 때문에 소비와 생산의 일반적인 매커니즘이 동작하지 않으며, 양방향성을 활용하여 사람들이 참여하고 정보를 공유하며 사용자들이 만들어 나가는 미디어를 소셜미디어라 부른다.
○ 바이럴 마케팅(Viral Marketing) : 마케팅의 주체가 불특정 다수에게 대량의 메시지를 전달하는 대신 소비자에게 직접 홍보행위를 하도록 한 마케팅. 특정 인플루엔자에 의해서 불러일으킬 수 있는 특정 정보나 이슈가 생성되고 바이러스처럼 전파되어 메가 트랜드로 변이하는 것. 어떤 제품과 서비스에 대해 두 사람 이상의 사람들이 주고받는 커뮤니케이션.
○ indegree : (graph theory)The number of edges directed into a vertex in a directed graph. 이 논문에서는 팔로워 링크를 그래프로 표현할 때 indegree로 표현함.
2010.03.31
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양승만 교수, 물위를 걷게 하는 스마트 나노구조 입자 제조
- 스스로 세정하는 초소수성 연꽃잎 구조를 생체모방한 최초의 나노입자 제조기술로 Nature와 Nature Nanotechnology에서 동시에 하이라이트
흙탕물 속에서도 아름답고 깨끗한 모습을 지키는 연꽃잎, 건조한 사막에서도 물 걱정 안 하는 딱정벌레, 영양분 공급 걱정 안 하는 끈끈이주걱, 물위를 자유자재로 걷는 소금쟁이, 물이 젖지 않는 나비날개는 모두 나노구조를 지니고 있어서 신기/한 생존현상을 만들어 낸다.
KAIST 생명화학공학과 양승만 교수팀(광자유체집적소자 창의연구단)은 연꽃잎 나노구조를 표면에 갖고 있는 미세입자를 균일한 크기로 연속적으로 생산하여 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 기술을 개발해 최근 Nature와 Nature Nanotechnology등 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 연구성과를 거뒀다.
국제적으로 가장 권위 있는 두 학술지에 동시에 하이라이트로 실린 것은 극히 이례적인 일로, 이 연구결과가 나노과학의 진보성과 실용성이 크게 이바지한 것임을 입증한다. 양 교수팀의 이번 연구는 2006년부터 교육과학기술부의 ‘창의적연구진흥사업’의 지원을 받아 수행했다.
연꽃잎 나노구조로 발생하는 소위 연꽃잎효과(Lotus Effect)의 응용분야는 무궁무진하여 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이나 현재의 기술수준은 연꽃잎 효과를 지니는 실용성 있는 제품을 개발하는 데는 성공하지 못하고 있다.
Nature지(3월 25일호)와 Nature Nanotechnology지(4월호)가 비중 있게 하이라이트한 양 교수팀의 이번 연구에서는 감광성 액체방울을 이용하여 연꽃잎의 나노구조를 생체 모방하여 크기가 균일한 미세입자를 대량으로 만들 수 있는 기술을 성공적으로 개발하였다.
특히 주목할 것은 나노구슬이 스스로 구조를 형성하는 자기조립 원리를 이용함으로써 제조공정이 손쉽고 빨라 경제적이란 점이다(제조 공정도 참고). 우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬을 감광성 액체 속에 분산시킨 후, 크기가 수십 마이크로미터로 균일한 액체방울로 만들어 물에 주입하고, 물-감광성 액체-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면 유리구슬은 저절로 감광성 액체방울 표면 위에 촘촘히 육방밀집구조로 배열하게 된다.
이 때 자외선을 감광성 액체방울에 쪼여서 고형화 시킴으로써 수 천개의 유리 나노구슬이 박혀있는 입자를 얻게 된다. 그 후 유리구슬을 불산으로 녹여내면 마치 골프공 같이 분화구가 촘촘하게 파진 미세입자를 만들 수 있고 여기에 플라즈마(높은 에너지를 갖는 기체이온)를 쪼여주면 분화구가 깊게 깎이면서 연꽃잎과 같은 나노구조가 형성된다.
이러한 연꽃잎 구조는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이며 최근에 나노식각공정을 사용하여 평판 위에 연꽃잎 효과를 구현한 결과는 보고된 바 있다. 그러나 본 연구의 결과는 머리카락 보다 가는 미세한 입자표면에 연꽃잎 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.
Nature와 Nature Nanotechnology에서 언급한 바와 같이, 이렇게 제조된 연꽃잎 효과를 나타내는 미세입자의 응용은 다양하다. 세차가 필요없는 자동차, 김이 서리지 않는 유리, 비에 젖지 않는 섬유, 스스로 세정하는 페인트 그리고 비나 눈물에 얼룩이 지지 않는 화장품 등도 개발할 수 있다.
또한, 화학 및 바이오센서 등의 마이크로 분석소자, 물위를 걸을 수 있는 마이크로로봇, LCD 차세대 대형 디스플레이에서도 연꽃잎 효과를 이용한 코팅 기술이 사용될 것으로 기대된다.
이 연구결과는 화학분야 최고의 저명학술지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 4월호 표지논문으로 하이라이트 되었고 연꽃잎 구조의 실용성을 구현하는데 크게 기여한다고 인정받아 그 호의 VIP(Very Important Paper: 매우 중요한 논문)로 선정되었다.
특히, Nature지는 3월 25일호에서 양 교수팀 연구의 중요성과 응용성에 주목하여 ‘표면과학: 물방울로 만든 구슬(Surface Science: Liquid Marbles)’이라는 제목으로 ‘뉴스와 논평(News & Views)’란에 하이라이트로 선정해 첨부한 자료와 같이 비중있게 게재했다. 또한, Nature Nanotechnology지는 4월호에서 ‘주목해야 할 연구(Research Highlights)’로 선정해 해설을 함께 실었다.
<그림1> 연꽃잎의 나노구조를 생체모방한 미세입자제조 공정모식도
<그림2> 연꽃잎의 나노구조를 갖는 미세입자를 물표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막은 유리 막대를 찔러도 뚫리지 않고 유리막대에 물이 묻지 않는다.
<그림3> Nature Nanotechnology에 실린 물 위에 뜬 물방울 사진: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자를 물표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막 위에 물을 뿌리면 방울로 맺히게 된다. 이것은 미세입자를 이용하면 물위로 물체를 띠울 수 있음을 보여준다.
<그림4> Nature에 실린 물방울로 만든 구슬을 집게로 잡고 있는 모습: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자가 물을 포획하여 물방울 구슬을 만든 모습. 이 물방울구슬은 집게로 찌그러트려도 안 터지며 떨어뜨려도 깨지지 않는다.
<그림5> 연꽃잎에 맺힌 물방울 사진과 나노구조의 전자현미경 사진과 봉우리의 모식도
<그림6> 사막의 딱정벌레와 나노구조의 전자현미경 사진
<그림7> 끈끈이 주걱과 나노구조의 전자현미경 사진
2010.03.24
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정상권 교수 연구팀,극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터 개발
- 세계최초로 회전하는 극저온 냉동기를 탑재한 ‘초전도 모터’ 개발
기계공학과 정상권 교수 연구팀이 회전하는 극저온 냉동기를 탑재해 영하 210도 이하로 냉각되는 초전도 모터를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.
기존의 초전도 회전기기는 LTS(Low Temperature Superconductor; 저온 초전도체로서 주로 액체 헬륨으로 냉각) 또는 HTS(High Temperature Superconductor; 고온 초전도체로서 주로 액체 네온 또는 질소로 냉각)를 사용하는 경우, 정지된 극저온 냉동기로부터 차가운 냉각재를 회전하는 계자 코일에 공급하면서 초전도체를 임계온도 이하로 냉각하는 구조로 되어 있었다. 즉, 극저온 냉동기와 회전기기가 분리되어 초전도 모터가 작동했었다.
이러한 구조는 영하 210 도 이하의 차가운 유체를 진공으로 단열시키면서, 정지부에서 회전부 그리고 또한 정지부로 이송하는 극저온 구성품이 필요하며, 상온에서부터 극저온부로의 열침입이 필연적으로 증가하는 문제로 인하여 전체 극저온 냉동 시스템이 커져야 한다.
이번에 연구 개발한 극저온 냉동기를 탑재하는 초전도 모터의 경우에는, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜, 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능한데, 지금까지는 극저온 냉동기의 특성과 초전도 코일의 설계/제작을 동시에 고려하여야 하기 때문에 쉽게 이루어지지 않았었다.
이번 연구에서는 고속으로 회전하는 상황에서도 냉각성능의 변화가 없는 축대칭 구조의 국내산 소형 스털링 냉동기가 사용됐다. 이번에 개발한 초전도 모터는 회전부와 고정부 사이에서 일어나던 극저온 유체의 이동을 철저하게 배재시키고, 유일하게 존재하는 에너지 전달 메커니즘은 전기 접촉을 통한 전기 에너지 및 온도차에 의한 열전달이다. 또한, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능하다. 초전도 계자코일은 차세대 유망 초전도 선재인 YBCO를 사용하여 제작했으며, 외부로 부터의 열침입 및 냉동 부하는 6W미만이고, 유도 모터의 고정자를 사용하여 90rpm 까지 회전 테스트를 수행하였다.
정 교수는 “이번에 개발된 ‘극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터’는 소형화와 고신뢰성을 위한 초전도 회전기기의 새로운 냉각 방식으로 기술혁신적인 발상의 전환을 이루었으며, 다양한 에너지(수송, 플랜트 산업, 재생에너지) 분야에서의 응용이 기대된다”며 ”상용화를 위해 동적인 균형 문제, 초전도 선재 수급문제 해결하도록 연구를 진행중이다“고 말했다.
일반적으로 초전도 모터나 발전기는 극저온에서 전기 저항이 사라져 전류가 아무 장애없이 흐르는 초전도체의 현상을 이용한다. 따라서 전기 에너지의 효율 향상과, 동일한 용량에서는 소형화의 목적으로 차세대 전기기기로서 많은 연구가 진행되고 있다. 모터나 발전기의 구조를 보면 크게 회전자와 고정자로 구분할 수 있는데, 초전도 코일은 직류 전류가 흐르는 회전자에 적용됨으로써, 전체 에너지 변환 효율을 0.5 %내지 1% 정도 향상시킬 수 있다. 따라서, 현재까지 초전도 회전기기는 전체 효율 향상이 그에 수반되는 부가적인 극저온 냉동기의 요구 전력보다 더 큰 1 MW 급 이상의 대용량에서 매력적이다.
이러한 기기의 적용 분야는 주로 플랜트 산업에서 사용되는 전동기를 비롯하여 발전소의 대형 발전기, KTX와 같은 고속 전철, 전기 추진 방식의 선박 등 에도 확장될 수 있다.
이번연구는 교육과학기술부의 국가지정연구실사업의 지원과 차세대초전도응용기술개발사업단을 통한 한국전기연구원의 도움으로 수행됐으며, 이번 연구결과는 2010년 8월에 열리는 응용초전도학회(ASC; Applied Superconductivity Conference)에서 발표할 예정이다.
논문제목: HTS (high temperature superconductor) motor cooled by on-board cryocooler (극저온 냉동기를 회전자에 탑재한 고온 초전도 모터)
<용어설명>
○ 초전도 : 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K; －273.16℃)에 가까이 냉각할 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 물질마다 이러한 현상이 일어나는 임계온도가 다르며, 액체 질소의 비등점 (77 K, －196℃) 이상에서 초전도 성질을 보이는 물질을 고온 초전도체라고 한다.
○ 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) : 고온 초전도체 물질 중 하나로 임계 온도는 93 K(-180℃)로 비교적 높아 경제적인 초전도 합금 중 하나이다.
○ ASC(Applied Superconductivity Conference, 국제 응용 초전도 학회):1966년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE Council on Superconductivity) 주관으로 격년으로 미국에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회임. 전 세계로부터 많은 학자와 연구원들이 참여한 가운데 우수한 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 초전도 산업과 기술을 논의하는 학회로서 2010 년에는 Washington D.C. Omni Shoreham Hotel에서 8월 1일부터 6일 까지 개최될 예정이다.
○ 계자코일(Field coil) : 초전도 모터의 회전자에서 일정한 자기장을 발생시키기 위하여 감은 코일로서, 일반 구리선을 초전도선으로 대치하였을 때 주어진 크기에서 더 강한 자기장을 발생시키게 할 수 있으므로, 전체 모터의 크기를 소형화할 수 있다.
2010.03.18
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양승만 교수, 인조오팔로부터 초소형 분광분석기 제조
- Advanced Materials 3월 5일자 표지 논문으로 소개 돼 - 초정밀 극미량 물질 인식센서로 활용
오팔은 크기가 수백 나노미터(머리카락 굵기의 약 100 분의 1정도)의 유리구슬이 차곡차곡 쌓여 있는 것으로서, 그것이 아름다운 색을 띄는 것은 오팔이 선택적으로 반사하는 파장영역대의 빛만을 우리가 볼 수 있기 때문이다. 이렇게 오팔보석이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질을 이루는 구조가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이며 이러한 구조를 광결정이라 한다. 이러한 구조의 광결정은 특정한 파장 영역대의 빛만을 완전히 선택적으로 반사시키는 기능을 보유하게 된다.
생명화학공학과 양승만 교수팀 (광자유체집적소자 창의연구단)은 파장이 서로 다른 빛들을 반사하는 오팔 광결정을 미세소자에 연속적으로 도입하여 무지개 같은 띠 모양으로 제작할 수 있는 기술을 확보했으며 이를 이용해 극미량의 물질을 정밀하게 분석할 수 있는 칩 크기 수준의 미세분광기를 최근 제조했다.
사람마다 고유한 지문을 갖듯이 물질을 이루는 분자도 고유한 지문을 갖는데 이는 분자마다 특정 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하거나 방출하는 독특한 스펙트럼을 갖기 때문이다.
따라서, 물질을 구성하는 분자를 광학적으로 인식하기 위해서는 분광분석기 (spectrometer)라는 기기가 필요하며 이는 물질이 갖고 있는 다양한 광정보 처리를 위해 광자소자 및 분석소자를 구성하는데 꼭 필요한 요소 중 하나이다.
그러나 기존의 분광기는 파장에 따른 빛의 공간적 분할을 위한 격자(grating) 및 빛의 진행에 필요한 공간을 요구하므로 고가의 큰 장치로만 제작이 가능하였다.
최근에 많은 주목을 받고 있는 생명공학의 산업적 이용이나 신약개발을 위해서는 부피가 나노리터(10-9L)~펨토리터(10-15L) 정도의 극미량의 샘플을 처리해야 하므로 분석실험실을 반도체 칩과 같이 초소형화한 소위 ‘칩위의 실험실: Lab on a Chip’이 필연적으로 요구된다.
이를 구현하기 위해서는 칩 내부에 분광분석기와 같은 분석소자를 설계해 도입해야 하나 기존의 기술로는 현실적으로 불가능 했다.
이번 연구 결과는 초소형 분석소자의 실용성을 구현하는데 크게 기여한 점을 인정받아 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 3월호 표지논문(cover paper)으로 게재됐다. 또한, 나노기술 분야의 세계적 포털사이트인 Nanowerk (http://www.nanowerk.com/)는 이번 연구결과를 ‘광결정으로 미세 분광기를 만들다(Photonic crystals allow the fabrication of miniaturized spectrometers)’라는 제목의 스포트라이트(Spotlight)로 소개하기도 했다.
칩규모의 초소형 물질감지소자는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이다. 이번 연구의 결과는 초소형 분광분석기 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.
그림1. 반사색이 연속적으로 변하는 광결정 분광기의 저배율 및 고배율 사진 (분광기가 손톱크기로 초소형화 되었음을 확인할 수 있다)
기본 원리는 아래 그림과 같이 다른 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정을 패턴화하면 미지의 빛이 입사할 경우 반사하는 빛의 세기만을 통해 입사한 미지의 빛의 스펙트럼을 알아낼 수 있다는 것이다.
이러한 아름다운 반사색을 보이는 광결정은 오팔보석, 공작새 깃털, 나비날개, 딱정벌레 등 자연계에 많이 존재하는데 양 교수 연구팀에서는 이를 규칙적으로 패턴화하여 전체 가시광 영역에서 배열한 것이다. 이러한 광결정을 이용하면 공간에 따른 빛의 세기분포를 파장에 따른 빛의 세기분포 즉 스펙트럼으로 물질을 이루는 분자를 재분석해낼 수 있다. 이는 기존의 분광기와는 달리 긴 진행거리를 요구하지 않기 때문에 소형화가 가능하고 신호의 검출은 미세검출기 배열을 통해 가능할 것으로 예상된다.
그림2. 가시광 영역에서 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정 (내부의 나노구조는 나비날개와 공작새 깃털 구조의 광결정와 유사하다)
<용어설명>○ 콜로이드 : 물질의 분산상태를 나타내는 것인데, 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~100nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 것은 콜로이드 상태라고 부른다. 예를 들어, 생물체를 구성하는 물질 대부분이 콜로이드 상태로 존재한다.
2010.03.16
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KAIST가 개발한 온라인 전기차, 서울 대공원 달린다
- KAIST 온라인전기자동차 상용화를 위한 첫걸음 내딛어 - 매연과 소음이 심각한 코끼리 열차 친환경 전기 자동차로 탈바꿈
우리대학이 심혈을 기울여 개발한 온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle, OLEV)가 서울대공원을 힘차게 달린다. 무선으로 전력을 공급받아 운행되는 전기자동차를 세계 최초로 개발하여 서울대공원에 시범사업으로 적용했다.
과천 서울대공원에서 디젤기관으로 운행되고 있는 무궤도 코끼리 열차를 KAIST의 기술력을 통해 온라인 전기자동차로 새롭게 제작했다. 경유를 연료로 운행해 매연과 소음이 심각했던 코끼리 열차가 친환경 전기자동차로 탈바꿈했다.
온라인전기자동차(OLEV)는 정차 및 주행 중에 도로에 매설된 전력선으로부터 무선으로 전력을 전송받아 구동에너지로 사용하거나 배터리를 충전하는 신개념의 전기자동차로써 전기자동차의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 기술이다.
즉, 온라인전기자동차는 일반도로에 안전하고 견고하게 보호된 전선을 매설하고 차량하부에 별도의 집전장치를 부착하여 도로에 매설된 전선에 전력이 공급될 때 발생하는 자기장을 차량하부의 집전장치를 통해 효과적으로 모아 동력원으로 사용한다. 집전장치를 통해 모아진 전력은 주행 중 모터로 바로 연결되어 쓰이거나 필요한 경우에는 자동으로 배터리에 충전이 된다.
동력차와 객차 3량으로 이뤄진 이 전기자동차가 서울대공원에서 호수 순환도로 총 길이 2.2Km 구간을 운행한다. 급전구간은 1,2,3구간 각 122.5M, 4구간 5M로 4개 구간 총 372.5M이다. 집전효율은 최대 62kw 효율 74%에 달한다. 전자파 측정결과 정차 중 동력차 옆에서 50mG이내, 주행 중 객차내부는 20mG이내로 매우 안전하다.(국제기준치 20Khz-62.5mG)
이번 시범사업을 통해 KAIST는 온라인 전기차에 대한 신뢰성을 확보하고, 온라인 전기차의 상용화에 성큼 다가섰다.
지난해 2월, 공극간격 1cm에서 80% 효율이 기술적으로 가능하다는 것을 입증했으며, 7월에는 자체 개발한 급전장치 및 집전장치를 개조된 하이브리드 버스에 장착해 세계 최초로 공극간격 17cm 이상에서 최대 70% 이상의 효율을 달성하는데 성공했다. 올해에는 20Cm이상에서 최대 효율 80%에 이르는 기술을 확보할 목표이다. 연구개발 1년 만에 놀라운 기술적 진보를 이뤄낸 것.
노력과 끈기로 연구원들이 만들어낸 값진 연구개발 성과이며 KAIST의 무한한 도전정신이 보여준 놀라운 결과다.
온라인전기자동차의 전력 전달 원리인 비접촉 자기유도 방식 충전기술이 자동차에 적용되어 일반도로에서 실용화가 되기 위해서는 현재 운행되는 자동차의 환경에 맞게 도로바닥으로부터 차량 하부까지의 지상고를 법적 기준치(한국 12cm) 이상으로 유지하면서 높은 효율을 유지해야 한다.
KAIST는 세계적으로 불가능한 것으로 여겨졌던 이 기술적 한계를 도로, IT, 자동차, 전기, 전자 분야 전문가로 구성된 융합연구팀을 가동하여 2009년 원천기술개발 단계에서 극복하고, 산학연 협력 연구체계를 구축하여 실제 도로환경에 구현하여 실용화 가능성을 입증하였다. 현재 120건 이상의 특허가 출원된 상태이다.
KAIST는 서울시와 협의하여 대공원의 나머지 코끼리열차 7대를 추가로 개조하여 운행할 계획이다. 또한, 제주도 중문단지, 서울 상암 월드컵 공원 순환도로 등에도 온라인전기버스 시험인프라를 구축할 계획이다.
온라인 전기자동차사업단 조동호 단장은 “주차장, 버스 시점, 종점, 교차로 등에 온라인전기버스용 비접촉 충전인프라를 구축(전체 전용버스 노선의 20% 수준)하여 본격적인 도로 급전인프라 구축 이전에 온라인전기버스 보급 촉진에 기여할 예정이다” 라며 “지방자치단체와 협력하여 시험사업 및 시범사업 추진을 통해 제한된 지역을 운행하는 버스 중심 대중교통 시스템을 우선 공략하여 상용화 가능성을 실증할 것”이라고 밝혔다.
한편, 온라인 전기차 준공식 및 시승행사가 지난 9일(화) 11시부터 서울 대공원 동물원 입구(무궤도열차 순환구간)에서 있었다.
<보충자료>
■ KAIST는 지난 2009년 5월 정부의 추경사업으로 온라인전기자동차사업을 본격적으로 시작한 이후 캠퍼스 내의 테스트베드에서 온라인전기버스, 온라인전기승용차(SUV)의 실험모델 운행에 성공하여 주목을 받은 바 있다.
■ 전세계 자동차 시장은 석유에너지 고갈과 환경오염 문제로 인해 친환경 에너지 절약형 자동차 위주로 변신하고 있는 중이다.
세계 각국 정부는 그린카 기술개발, 전기자동차의 구입지원, 탄소가스 배출에 대한 과세, 연비향상 의무화 등의 정책을 적극적으로 채택하고 있으며, 이에 따라 자동차업체들은 친환경 자동차 특히 전기자동차 개발에 경쟁적으로 투자를 하고 있는 상황이다.
주행 중에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고 소음이 적으며 화석연료에 의존하지 않는 전기자동차 상용화를 위한 많은 노력에도 불구하고 현재까지 개발되고 있는 순수 전기자동차는 배터리에만 전적으로 의존하기 때문에 배터리의 중량과 부피가 지나치게 크고 비용이 과도하게 증가하는 난제를 안고 있다.
일부 국가에서는 배터리를 국가가 소유하고 배터리를 교환하는 방식을 통해 문제 해결을 시도하거나, 구입 초기 세제지원 등을 통한 전폭적인 지원을 통해 전기자동차의 보급을 위해 노력하고 있으나 구입후 배터리 유지보수에서 개인의 부담금이 과다한 문제 등 아직까지 현재 전기자동차가 가지고 있는 배터리 문제와 충전 인프라 문제를 근본적으로 해결하는 데는 한계를 지니고 있다.■ 이러한 일반 전기자동차의 배터리 문제와 충전 인프라문제, 배터리 유지보수 과다 부담금 문제 등을 동시에 해결하는 방안으로 제시된 개념이 주행 중 도로 바닥에서 급전을 받고 배터리도 충전을 하면서 급전선로가 없는 구간에서는 배터리만으로 주행하도록 하는 온라인전기자동차 방식이다.
온라인전기자동차는 일반도로에 안전하고 견고하게 보호된 전선을 매설하고 차량하부에 별도의 집전장치를 부착하여 도로에 매설된 전선에 전력이 공급될 때 발생하는 자기장을 차량하부의 집전장치를 통해 효과적으로 모아 동력원으로 사용하는 원리로써 집전장치를 통해 모아진 전력은 주행 중 모터로 바로 연결되어 쓰이거나 필요한 경우에는 자동으로 배터리에 충전이 된다.
이 경우 온라인 전기자동차는 일반 전기차와 비교하여 약 1/5수준의 배터리를 장착하고도 자유로운 운행이 가능하므로 비싼 배터리 문제를 해결할 수 있으며, 별도의 충전소 개념없이 도로에 충전소를 설치하는 원리이므로 충전인프라 문제 또한 쉽게 해결할 수 있다.
온라인전기자동차 기술을 일반 노선버스에 적용할 경우 버스 시점, 종점, 정류장, 교차로 및 주차장 등에 전체 버스 운행노선의 20% 가량에만 급전 인프라를 구축하더라도 충전의 걱정없이 편리하게 운행이 가능하다.
■ 온라인전기자동차의 향후 사업 추진 방향은 1단계로 정해진 노선과 지역을 운행하는 버스 중심의 대중교통시스템 진입을 통해 경제성과 안전성을 확보하고 2단계로 핵심기술을 지하철 및 철도 등 궤도차량에 적용한 뒤 궁극적으로는 온라인전기승용차 시장을 개척하여 수송시스템을 혁신하는 것이다.국내에서는 서울특별시와 제주도를 비롯하여 많은 지방자치단체들의 친환경 도시교통시스템 구축에 온라인전기자동차 기술을 적용하고자 희망하고 있는 상황이다.
해외에서도 많은 언론과 기관들이 KAIST의 온라인전기자동차 기술에 관심을 가지고 기술개발 현황과 성과에 대해 보도를 하고 있다. 특히 KAIST는 말레이시아에서 계획하고 있는 에코단지에 온라인전기자동차 시스템을 구축하기 위해 협의를 진행하고 있다.
이와 동시에 전기자동차 시대를 앞당기기 위해 필수적인 충전 인프라 구축 사업에 있어서도 접촉식 충전방식보다 안전성과 경제성 면에서 우수한 비접촉 충전방식을 도입할 수 있도록 노력할 계획이며, 놀이공원, 수송터미널, 공항, 군부대, 산림욕장 등 특정한 구역에서의 시험사업 및 시범사업을 통해 상용화의 기반을 구축할 계획이다.
■ 온라인 전기버스의 상용화를 위해서는 ‘실험시제품 개발(09년) → 시험시제품 개발(10년) → 실용시제품 개발(11년) → 표준시제품 개발(12년) → 상용제품 개발(13년 이후)’의 로드맵에 따른 단계별 연구개발이 필요하며 이를 통한 기술적 완성도를 높여 나갈 필요가 있다.
KAIST는 지방자치 단체와 연계한 시험사업과 소규모 인프라 구축사업을 통해 상용화 가능성과 기술적 완성도를 지속적으로 높여나갈 계획이다.
■ 한편 온라인전기자동차 개발 관련 급집전 핵심기술과 결과물은 타산업과의 융합연구를 통한 활용 및 파생기술 보급의 가속화를 가능하게 할 전망이다. 국내에서도 이미 일부 그룹에서 비접촉 충전기술을 이용한 새로운 수요창출을 준비하고 있는 상태이다.
급집전 기술의 주요 활용분야로는 노트북, 휴대폰, 휴대플레이어 등의 휴대기기 분야, TV•가전제품, 청소기 등의 가정용 전기기기 분야, 가정용, 산업용, 군용 등으로 활용이 가능한 로봇분야, 사파리, 보트, 물놀이 공원 등 레저분야, 시내버스, 마을버스, 고속버스, 택시, 승용차, 골프카, 대규모 단지 내 이송차량, 트럭 등 자동차 분야, BRT/PRT, 경전철, 지하철, 고속철도 등 철도분야 등을 꼽을 수 있다.
■ 미래 전기자동차 시대는 자동차 산업이 가진 엄청난 잠재력을 고려할 때 과거 아날로그 시대에서 디지털 시대로의 전환에 견줄만한 새로운 산업의 창출과 직결된다.
이러한 전기자동차 시장에서의 주도력을 가지기 위해서는 기존 산업을 점진적으로 개선 발전시키는 Evolution Path를 통한 접근이 아니라 Revolution Path를 통한 접근이 필요하다.
온라인 전기자동차 개발을 통해 전기자동차시대를 혁신적으로 앞당길 수 있다면 대한민국은 자동차 시장에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보할 수 있을 것이고, Evolution을 통해서는 확보가 불가능한 원천기술을 Revolution을 통해 확보함으로써 국가 신성장 동력 확보에 크게 기여할 수 있을 것이다.
2010.03.09
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가상세포를 이용한 병원균의 약물표적 예측기술 개발
- 가상세포 시스템 활용한 새로운 항생제 개발에 큰 파급효과 기대
- 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지 표지 논문으로 게재
생명화학공학과 이상엽(李相燁, 46세, LG화학 석좌교수, 생명과학기술대학 학장)특훈교수팀이 항생제에 내성을 가지는 병원성 미생물의 가상세포를 구축하고 이를 이용해 병원균의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 약물 표적을 예측하는 기술을 최근 개발했다.
김현욱(생명화학공학과 박사과정)연구원의 학위 논문연구로 수행한 이번 연구 결과는 유럽 화학 관련 학술단체 RSC(The Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지의 2월호 표지 논문으로 게재됐다.
예전에는 병원성 세균들을 항생제로 쉽게 치유할 수 있었지만 이제는 항생제의 오남용으로 인해서 병원균들은 항생제에 대한 내성을 가지게 됐으며, 따라서 한 번 감염이 되면 치유가 이전보다 쉽지 않다.
그 대표적인 병원균이 바로 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannaii)다. 본래 흙이나 물에서 쉽게 발견되는 이 미생물은 항생제에 내성을 갖지 않아 치료가 쉽고 건강한 사람은 잘 감염되지 않는 균이었다. 그러나 지난 10년 동안에 항생제에 내성을 갖는 슈퍼박테리아로 변했으며, 이라크 전쟁에 참전한 다수의 미군과 프랑스군도 이 균에 감염되면서 상처가 낫질 않아 많은 희생을 야기했다.
李 교수 연구팀은 아시네토박터 바우마니의 게놈과 전체적인 대사특성을 알아보기 위해 각종 데이터베이스에 산재해 있는 생물정보와 문헌정보를 컴퓨터에 입력, 분석, 디자인하여 가상세포를 구축하고, 다양한 네트워크 분석기법, 필수 대사반응 및 대사산물 분석 등 융합 방법론을 이용해 이 병원균의 성장을 효과적으로 차단할 수 있는 약물표적을 예측했다. 인간에게는 영향을 미치지 않으면서 병원균에게만 작용하는 최종 약물표적들이다.
필수 대사반응은 생명체가 대사활동을 정상적으로 하기 위하여 반드시 필요한 효소반응을 말하며, 필수 대사산물이란 생명체가 생존하기 위해 대사에 반드시 필요로 하는 화학물질로서 이들을 제거할 경우 이와 반응을 하는 효소들을 모두 억제되는 효과가 있다.
이 약물표적은 가상세포를 구성하고 있는 대사 유전자, 효소 반응, 신진대사들의 기능을 짧은 시간 안에 빠짐없이 체계적으로 검토해 예측함으로써 그 신뢰성을 높였다.
이번 연구 결과는 최근 많은 관심을 받고 있는 시스템 생물학 연구기법을 이용하여, 처음으로 필수 대사물질의 체계적인 발굴을 통해 효과적인 약물표적을 찾고, 나아가 새로운 항생제 개발의 가능성을 열었다는 점에서 높이 평가받고 있다. 또한 병원균에 의한 감염 현상과 신약개발에 큰 공헌을 할 것으로 기대를 모으고 있다.
李 교수는 “현재 수많은 생물의 게놈 정보가 쏟아지고 있지만 이것을 실질적으로 유용한 정보로 전환하는 데에는 아직도 많은 어려움이 있다. 아시네토박토 바우마니의 게놈 정보로부터 의학적으로 실용성이 있는 정보를 재생산했다는 점에서 의의가 있다”며 “특히 이 병원균의 가상세포 개발은 특정 환경에서 필수 유전자나 효소 반응에 대한 대량의 새로운 생물정보를 제공할 수 있는 계기를 마련했다.”고 말했다.
李 교수팀은 교육과학기술부 시스템 생물학 연구개발사업의 지원으로 이번 연구를 수행했으며, 다양한 병원성 균주의 가상세포 개발 및 항생제 약물표적 예측 방법을 특허 출원했다.
▣ 용어설명 ○ 약물표적 : 차단 시 병원성 미생물의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 단백질 효소 및 그와 관련된 화학물질
▣ (자료1) 가상세포.
(자료2) 가상세포로부터 필수대사산물을 예측한 후에, 병원균을 가장 효과적으로 죽일 수 있으면서 동시에 인간에게는 영향을 미치지 않는 약물표적만을 추리는 과정
2010.02.18
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유회준 교수 연구팀, 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치 개발
- 붙이는 파스형태의 심장 건강상태 모니터링 장치, ‘스마트 파스’ 세계 최초개발 -
전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치를 최근 개발했다.
붙이는 파스형태로 제작돼 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 데이터통신도 가능하다.
고성능 반도체 집적회로(헬스케어 칩)가 파스 안에 장착돼 있고 파스 표면에 25개의 전극이 형성돼 있어 다양한 형태로 전극을 사용할 수 있으며 심장의 수축·이완 능력과 심전도 신호를 동시에 검출해 무선으로 외부에 알려 준다.
이 장치의 핵심은 크게 심혈관 저항 및 심전도 측정 집적회로(헬스케어 칩)와 이 칩을 내부에 장착하고 있으며 표면에 전극을 형성시킨 4층 헝겊형 기판기술이다.
직물 위에 전극 및 회로 기판을 직접 인쇄할 수 있는 P-FCB(Planar Fashionable Circuit Board)기술로 서로 다른 헝겊에 전극, 무선 안테나, 회로기판(이 헝겊의 중앙부에 헬스 케어 칩을 부착)형성한 후 플렉시블 배터리와 함께 적층해 이 장치를 제작했다.
또한 전극 제어부, 심전도·혈관 저항 측정부, 데이터 압축부, SRAM, 무선 송수신 장치 등을 가지고 초저전력으로 동작하는 특수 헬스 케어 집적회로(크기 5mm X 5mm)를 제작해 헝겊형 회로 기판 위에 부착시켰다.
전극이 형성된 헝겊 면에는 접착제가 발라져 있어 일반 파스처럼 가슴에 부착시켜 사용하게 된다. 완성품은 가로 세로 15Cm X 15Cm이며 두께는 가장 두꺼운 중앙 부분이 1mm정도이다.
특히, 헬스 케어 칩은 차동전류주입기와 재구성이 가능한 고감도 검출 회로를 통해 심혈관 임피던스 변화를 16가지 서로 다른 조합으로 0.81% 신호왜곡 이하로 검출 가능하다.
KAIST 얜롱(Yan Long, 전기및전자공학과 박사과정)연구원은 “헝겊 위에 직접 전극 배열을 인쇄하고 건강관리 칩과 플렉시블 배터리를 부착함으로서 편의성과 착용감을 확보해 간편하게 심전도와 심혈관 임피던스 변화를 동시에 측정할 수 있다.”라고 말했다.
자신의 건강상태를 실시간으로 간편하게 자가진단을 할 수 있어 지속적인 관리가 필요한 만성 심부전 환자 등을 포함한 심혈관 질병이 있는 사람들에게 안성맞춤이다.
만성 심혈관 관련 환자를 위한 건강관리 기술은 2000년 이후 전 세계적으로 꾸준한 관심을 받고 있으나, 대부분 심장의 전기적 특성 즉 심전도 신호만을 검출하는데 그쳤다. 현재까지 개발된 측정기는 크고 이물감이 있으며, 유선으로 연결되는 등 외부와의 저전력 통신이 어려워 일상생활에서 널리 사용되지 못하고 있다.
이번 연구결과는 지난 2월 8일부터 10일까지 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제반도체회로 학술회의(ISSCC)에 발표됐다.
❋ ISSCC (International Solid State Circuit Conference: 국제 고체 회로 학회)학회:1954년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE SSCS) 주관으로 매년 2월에 미국 San Francisco, Marriot 호텔에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회로 ‘반도체 올림픽’이라고 불리우고 있음. 전 세계로부터 4천여명의 학자와 연구원들이 참여한 가운데 매년 반도체 분야 최우수 논문 210편만을 엄선하여 3일 동안 발표하면서 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 반도체 산업과 기술을 논의하는 학회임.
(사진 1) 스마트 파스 구조
스마트 파스는 총 4층 구조로 형성 되어 있으며 그 크기는 15cm x 15cm 이다. 가슴에 부착하는 면인 제 1층은 25개의 전극이 형성되어 이 중 4개는 전류 주입 전극으로 16개는 전압 측정 전극으로 5개는 기준 전극으로 사용할 수 있다. 제 2층은 직물형 인덕터(2.2uH, Q=9.2)로 스마트 파스의 무선 데이터 통신을 지원한다. 제 3층은 플렉시블 배터리(1.5V, 30mAh)로 파스를 하루이상 지속적으로 사용할 수 있도록 전원을 공급한다. 제 4층은 직물형 인쇄 회로 기판으로 그 위에 고성능 반도체 칩이 장착되어 있다.
(사진 2) 스마트 파스 사용 예
사용자가 스마트 파스를 가슴에 붙인 모습을 보여 준다. 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 25개의 전극배열이 피부와 접착되어 있어 심혈관 저항 및 심전도를 여러 가지 형태로 측정하여 내장메모리에 저장 또는 휴대용 단말기기로데이터를 고속으로 송신도 가능하다.
(사진 3) 스마트 파스 측정 예스마트 파스를 통하여 측정된 심전도 신호와 심혈관의 저항의 변화를 보여 준다. 이러한 신호로부터 심장의 수축 이완 능력을 편리하게 일상생활 속에서 측정 가능하다.
(사진 4) 스마트 파스에 장착된 헬스 케어 칩
직물형 인쇄 회로 기판에 장착되어 있는 고성능 반도체칩(헬스케어 칩)의 사진과 제원이다. 본 헬스케어 칩은 최대 3.9mW의 전력을 소모하며 평균 2.4mW의 전력소비로 0.1옴이하의 저항 변화를 고감도 회로를 통하여 검출 가능케 하는 것이 특징이다.
2010.02.10
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전산학과 한동수 교수팀 무선 데이터 전송시스템 이용한 실내 스마트폰 위치 인식기술 개발
- Google 앱스토어를 통해서 전 세계 스마트폰 사용자에게 프로그램 배포 예정
- Wi-Fi 신호기반 스마트폰 위치 인식기술 개발
구글 안드로이드 폰, 애플 아이폰과 같은 Wi-Fi(무선 데이터 전송 시스템)기능을 갖춘 스마트폰에 탑재돼 활용될 수 있는 새로운 Wi-Fi 신호기반 실내 위치 인식기술을 우리대학 전산학과 한동수 교수 연구팀이 최근 개발했다.
이 기술은 스마트폰 사용자의 참여 방식을 통해 무선랜(Wireless LAN)의 신호강도, 중계기(AP) 고유번호 등을 담은 Wi-Fi 위치지문과 장소정보를 제공해 만들어진 오픈 라디오 맵(Wi-Fi Open Radio Map)을 바탕으로 위치를 인식하는 독특한 방식이다.
이 기술을 적용한 위치인식 프로그램은 이 MAP을 이용해 휴대기기의 위치를 판단해 정보를 사용자에게 제공한다. 이번 연구기술은 국내,외 특허가 출원중이다.
한 교수팀은 KAIST 내부 건물과 주변 건물을 대상으로 오픈 라디오 맵(Wi-Fi Open Radio Map)을 구축하고 몇몇 위치기반 응용서비스를 만들어 베타 테스트를 진행하고 있다.
2010년 상반기 중으로 구글과 애플 앱스토어를 통해 전세계 스마트폰 사용자에게 개발된 프로그램을 공개하고 배포할 예정이다.
국내에는 Wi-Fi 신호를 중계하는 중계기(Access Point, AP)가 200만기 이상 설치되어 있고, 최근 KT, SKT에서 스마트폰이 경쟁적으로 출시되면서 개발된 기술이 점차 확산, 보급될 것으로 예상된다.
이번에 개발된 위치 인식 기술은 GPS 신호가 도달하지 않는 실내에서 별도의 기기를 설치하지 않고 Wi-Fi 신호 정보만을 사용하여 룸 단위로 스마트 폰의 위치 정보를 인식하는 기술로서 다양한 실내 위치 기반 서비스 개발에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
스마트폰을 사용한 실내 네비게이션 서비스, 위치 기반 SNS(Social Networking Service) 서비스, 위치 기반 노트 서비스, 위치 기반 명함 교환 서비스, 근무 위치 모니터링 서비스, 장소 기반 할인 카드 정보 제공 서비스, 장소 기반 휴대 기기 동작 자동 제어와 같은 서비스가 실내에서의 위치 인식을 통해서 새롭게 제공할 수 있는 서비스들이다. 그 밖에도 수많은 서비스가 스마트 폰 상에서 위치 기반 정보에 기반하여 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
이번에 개발된 Wi-Fi 신호를 이용한 실내 위치 인식 기술은 학술적으로도 그 가치가 인정돼 2010년 4월초 독일 만하임(Mannheim)에서 열리는 퍼베이시브 컴퓨팅(Pervasive Computing) 국제 학술 대회인 IEEE PerCom 2010에 데모와 함께 소개될 예정이다.
향후에는 SK, KT, 삼성 등과 같이 스마트폰을 제조하고 판매하는 국내 업체와 위치 기반 서비스 회사와 협력도 모색할 예정이다.
관련 사이트(기술소개 동영상): http://elekspot.appspot.com/
2010.02.08
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새로운 혈액줄기세포 공급원으로 지방조직 이용가능성 규명
카이스트 생명과학과 고규영교수(및 연구원 한진아)팀, Blood지(IF=10.4)에 실려-
교육과학기술부(장관 안병만)의 21세기 프론티어연구개발사업 지원을 받는 세포응용연구사업단(단장:김동욱 연세대 교수)의 연구팀(책임자:고규영 카이스트 교수, 연구원:한진아)이 지방조직으로부터 백혈병 등 혈액계 난치병 치료에 이용가능한 혈액줄기세포를 분리해 낼 수 있음을 입증하였다. 이로써, 보다 적은 비용과 쉬운 방법으로 혈액줄기세포를 공급할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 그 중요성을 인정받아 세계적인 학회지인 Blood의 2010년 2월 4일자 표지논문으로 선정되었으며, 이례적으로 학회지를 주관하는 미국 혈액학회 (American Society of Hematology, ASH)가 세계매체를 통해 일반인에게 홍보하기로 하였다.
혈액줄기세포는 다양한 종류의 혈액세포로 분화할 수 있는 분화능을 보유하고 있는 대표적인 성체 줄기세포로, 백혈병 등의 혈액계 난치병 치료에 이용된다. 혈액줄기세포는 주로 성체의 골수 내에 존재하는데, 그 양이 제한적이고 생체외 증식이 어려워 연구 및 치료목적으로의 사용에 걸림돌이 되어 왔다.
우리대학 생명과학과 고규영 교수 연구팀은 지방조직과 골수조직이 다양한 공통점을 갖는다는 점에 착안하여, 골수를 손상시킨 동물에게 지방 조직에 존재하는 비지방세포를 정맥주사한 후, 이 세포로부터 유래한 혈액세포가 장기간 동물의 혈액 내에 존재한다는 것을 입증함으로써, 주입한 지방조직의 비지방세포에 손상된 골수를 재생시킬 수 있는 능력을 가진 혈액줄기세포가 존재한다는 사실을 밝혔다.
김동욱 단장은 “혈액줄기세포를 골수나 혈액으로부터 분리할 수 있는 것은 이미 널리 알려진 방법이지만, 흔히 쓸모없는 조직으로 생각하는 지방조직을 혈액줄기세포의 공급원으로 규명한 것은 이번이 처음이다”라며 재생의학의 새로운 세포공급원으로서 지방조직 이용 가능성을 밝혔다. 이 연구는 혈액줄기세포의 자가이식에 있어 새로운 방법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
1. 연구내용 요약
혈액줄기세포는 혈액계의 항상성을 유지하는 역할을 담당하는 대표적인 성체줄기세포의 일종으로, 대부분의 혈액줄기세포는 골수에 존재하고 있다. 그러나 소량의 혈액줄기세포는 혈액 내에 포함되어 체내를 순환하다가, 다시 골수로 되돌아오게 된다. 한진아 연구원, 김인준 교수, 고규영 교수 연구팀은 이 과정에서 혈액줄기세포가 골수조직 뿐만 아니라 골수와 비슷한 조건을 제공하여 적절한 환경이 조성되어 있는 조직으로, 골수와 다양한 특성을 공유하고 있는 지방조직을 연구하였다.
지방조직은 지방세포와 비지방세포로 구성되어 있는데, 우리는 생쥐의 지방조직으로부터 비지방세포를 분리하여 유세포분석기 (FACS), 세포배양 군체형성 등의 생체외 실험과 방사선 조사 후 골수이식 등의 생체실험을 실시하였다. 줄기세포를 세포치료 목적으로 이용하고자 할 때, 가장 중요한 것은 생체 내에서의 활동성이다. 우리는 방사선을 조사하여 골수를 손상시킨 동물에 비지방세포를 정맥주사하여, 이 세포로부터 유래한 혈액세포가 장기간 동물의 혈액 내에 존재한다는 사실을 입증하였다. 이는 주입된 세포군 내에 손상된 골수를 재생시킬 수 있는 능력을 가진 혈액줄기세포가 포함되어 있다는 것을 직접적으로 보여주는 증거이다. 더불어 비지방세포에 포함된 혈액줄기세포가 골수에서 유래한 것이며, 약물을 이용하여 골수 혈액줄기세포의 순환계로의 유출을 촉진시켰을 때, 보다 많은 양의 세포를 지방조직으로부터 얻을 수 있음을 입증하였다.
생쥐의 지방조직으로부터 혈액줄기세포를 얻을 수 있다는 사실을 입증함으로써 이용가능한 혈액줄기세포의 또 다른 원천을 밝혀낸 것이다. 이에 인간 지방조직에 대한 연구가 개발, 확립된다면, 연구 및 치료목적으로 응용 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.
이번 연구의 자세한 내용은 2010년 2월 4일자 Blood 저널에 표지논문으로 발표되며, 이례적으로 이 학회지를 주관하는 미국 혈액학회 (American Society of Hematology, ASH)가 세계매체를 통해 일반인에게 홍보하기로 하였다.
2. 용어설명
∙성체줄기세포 : 배아발달 단계 이후 체내에 존재하는 줄기세포로, 주로 손상된 조직을 재생, 성장시키는 역할을 담당하여 필요한 때에 특정한 조직의 세포로 분화하게 되는 미분화 상태의 세포이다. 배아줄기세포와 달리 윤리적 문제가 없고, 자가면역 반응을 일으키지 않는다는 장점이 있다.
∙비지방세포 : 지방조직에서 지방세포를 제외한 나머지 세포군을 말하며 면역세포, 혈관내피세포와 더불어 그 성격이 완전히 규명되지 않은 줄기세포들을 포함하고 있다. 지방, 연골, 근육 조직 등으로의 분화능을 보유하고 있는 등 골수 중간엽줄기세포 (mesenchymal stem cell)와 유사한 특성을 가지고 있다.
그림 1. Blood 학회지에 표지로 실린 사진. 지방조직에서 발견되는 혈액줄기세포 분포양상.(파란색 : 혈액 / 분홍색 : 혈액줄기세포)
그림 2. 생체외 세포군체형성. 배양된 비지방세포로부터 유래된 혈액세포군체.
그림 3. 약물투여 후 비지방세포에서 혈액줄기세포의 양이 증가함을 나타내는 결과.
2010.02.04
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매미와 개구리는 지휘자없이 어떻게 합창할까
나무위의 매미와 논두렁의 개구리는 지휘자 없이 어떻게 합창할까? 이와 관련해서, KAIST 바이오 및 뇌공학과의 조광현 교수는 생명체의 동기화된 주기적 진동신호의 생성원리를 최근 규명했다. 나무에 붙어있는 많은 반딧불들의 동시다발적인 깜빡임, 매미들의 조율된 울음소리, 뇌신경세포들간의 전기신호, 세포내 분자들의 농도변화에 이르기까지 생명체는 다양한 형태의 주기적 진동신호 교환을 통해 정보를 전달하는데, 이들은 놀랍게도 정확히 동일한 위상(phase)으로 동기화되곤 한다. 이는 마치 오케스트라에서 지휘자 없이도 모든 연주가 일정한 박자에 맞춰 이루어지는 것과 같다.
어떻게 생명체의 여러 주기적 진동신호들이 그러한 동기화를 이루는가?
우리학교 바이오및뇌공학과 조광현(曺光鉉) 교수 연구팀이 대규모 가상세포(virtual cell)실험을 통해 생명체의 다양한 주기적 진동(oscillation)신호들이 동기화(synchronization)되는 보편적인 원리를 규명했다.
曺교수팀은 이번 연구를 통해 여러 독립적인 주기적 진동신호들은 양성피드백(positive feedback)을 통해 서로의 위상에 영향을 줘 하나의 동일한 위상으로 수렴되는 현상을 밝혀냈다.
특히 양성피드백은 이중활성(double activation) 또는 이중억제(double inhibition)의 구조로 구현된다. 이중활성피드백은 연결시간지연이 짧을 때, 이중억제피드백은 연결시간지연이 길 때 보다 안정적인 신호동기화를 가능하게 했다.
또한, 노이즈(noise) 교란이 있을 때 이중활성피드백은 진동신호의 주기보다 진폭을 안정적으로 유지하는 반면 이중억제피드백은 연결강도에 불규칙한 변화가 주어졌을 때 일정한 주기와 진폭을 유지시켜줬다. 현존하는 대부분의 현상들이 이러한 원칙을 따르고 있었다.
이번에 규명된 원리는 생체내 주기적 진동신호의 동기화가 교란될 때 발생하는 뇌질환 등 여러 질병의 원인을 새롭게 조명하는 계기를 마련할 것으로 기대된다.
이번 연구는 기존 생명과학의 난제에 대해 IT융합기술인 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 해답을 제시할 수 있음을 보여줬으며, 향후 생명과학 연구에 있어서 가상세포실험의 무한한 가능성을 제시했다.
曺교수는 “생명체는 복잡하게 얽혀있는 것으로 보이는 네트워크속에 이와 같이 정교한 진화적 설계원리를 간직하고 있었다”며 “이러한 규칙들은 임의로 수많은 디지털 진동자들을 만들어 인공진화를 통해 신호의 동기화 현상을 관측하였을 때에도 마찬가지로 성립된다는 흥미로운 사실을 확인했다”고 말했다.
이 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단 연구사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 세포생물학 분야 권위지인 세포과학저널(Journal of Cell Science) 2010년 1월 26일자 온라인판에 게재됐다.
세포생물학 실험결과만을 출판하는 이 저널에 순수 컴퓨터시뮬레이션만으로 수행된 가상세포실험 연구결과가 게재된 것은 매우 이례적인 일이다.
인터넷주소: http://jcs.biologists.org/cgi/content/abstract/jcs.060061v1
<용어설명>◯ 양성피드백(positive feedback): 서로 연결되어 있는 두 요소 사이에 어느 하나의 변화가 결과적으로 스스로를 동일한 방향으로 더욱 변화시키는 형태의 연결구조.
<사진설명>◯ 설명: A: 서로 상호작용하는 두 생체신호 진동자(oscillator)들의 예시. B: 이중활성 양성피드백으로 연결된 진동자들. C: 이중억제 양성피드백으로 연결된 진동자들. D: 연결강도에 따라 진동신호 동기화에 소요되는 시간. E: 연결강도 증가에 따라 점차 진동신호 동기화가 되어가는 모습의 예시 (좌측의 비동기화 진동신호들이 점차 우측의 동기화된 진동신호들로 변화되어 가는 과정을 나타냄).
2010.02.02
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김봉수 교수팀, 초탄성 무결점 금속나노선 개발
화학과 김봉수 교수팀은 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능한 새로운 초탄성․무결점 금속 나노선(nanowire)을 개발했다. 이는 촉매없이 금속 나노선을 기판위에 손쉽게, 원하는 형태로 성장(epitaxial growth)시킬 수 있는 원천기술이다.
교육과학기술부(장관 안병만)는「21세기 프론티어연구개발사업」나노소재기술개발사업단(단장 서상희 박사)의 지원을 받은 KAIST 김봉수 교수 연구팀이 초탄성․무결점의 단결정 금속 나노선을 개발 하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
지난 2004년 MIT 선정 10대 유망기술에 선정된 바 있는 나노선(nanowire)은 단면 지름이 수십에서 수 나노미터(1nm = 10억분의 1m) 정도인 극미세선으로, 트랜지스터, 메모리, 센서 등 첨단 전기전자 소자를 개발하는데 핵심적인 미래기술이다.
기존의 반도체 나노선은 정렬된 성장(epitaxial growth)이 가능했으나 금, 팔라듐 등 금속 나노선의 경우에는 적절한 촉매가 없어서 이러한 정렬된 성장을 실현하기 어려웠다.
KAIST 김봉수 교수 연구팀은 증기의 양, 온도, 압력 등을 최적으로 조절함으로써, 촉매 없이 금, 팔라듐, 및 금팔라듐 합금 나노선을 원하는 대로 방향성 있게 성장시키는 데 세계 최초로 성공하였다. 또한, 어떠한 물질이라도 기판 위에 씨앗 결정을 형성하기만 하면 잘 정렬된 나노선으로 성장시킬 수 있다는 사실을 밝혔다.
※ 질병을 일으키는 병원균의 DNA 농도에 따라 금나노선에 부착되는 금입자의 갯수가 달라짐(이 금입자의 갯수로 부터 병원균의 갯수를 검출) (스케일바 : 20 nm)
KAIST 화학과 김봉수 교수는 “이 기술을 한 단계 더 발전시켜 기판 위에 씨앗을 원하는 위치에 놓을 수 있다면, 나노선의 위치 및 방향을 마음대로 제어할 수 있게 되기 때문에, 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능해져 세계 메모리 산업에서 선도적 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
한편 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 1월 6일자 온라인 속보판에 소개되었으며, 현재 미국 및 독일 등에 특허 출원중이다.
[그림 1] 사파이어 기판 위에 수직으로 성장한 완전 단결정 금 나노선
이번에 개발된 기술을 통해 성장된 나노선은 초탄성(超彈性)․무결점 뿐만 아니라 완벽히 깨끗한 표면을 가지고 있다는 특징이 있어, 나노크기의 탄성에너지 저장장치, 나노안테나, 질병진단용 메디컬 센서 등 새로운 기술분야에 다양하게 응용가능하다.
[그림 2] 금 나노선을 이용한 질병진단 센서 (예)
2010.01.18
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