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저온 엑솔루션 현상을 통한 나노촉매-금속산화물 기반 황화수소 가스 센서 개발
삼성미래기술육성사업이 지원하고 우리 대학이 POSTECH, GIST 등 국내 과학기술특성화대학 공동 연구진과 협업해 온 *엑솔루션 연구가 결실을 맺었다.
☞ 엑솔루션(Ex-solution): 금속 및 금속산화물 고용체를 가열해 성분을 분리하고, 이를 통해 실시간으로 금속 나노 입자 촉매를 금속산화물 표면에 균일하면서도 강하게 결착시키는 기법이다. 특별한 공정 과정 없이 열처리만을 활용하기에 친환경적인 미래 기술로 주목받고 있다.
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수·정우철 교수 연구팀이 POSTECH 한정우 교수팀과 GIST 김봉중 교수팀과의 공동연구를 통해 단 한 번의 열처리로 금속산화물 감지 소재 표면에 나노촉매를 자발적으로 형성시켜 황화수소 기체만 선택적으로 감지하는 고 안정성 센서를 개발했다고 24일 밝혔다.
나노입자 촉매를 금속산화물에 형성하기 위한 기존 방식들은 진공을 요구하거나 여러 단계의 공정이 필요하기 때문에 시간과 비용이 많이 들뿐더러 촉매가 쉽게 손실되고 열에 불안정하다는 문제가 발생한다.
공동 연구진은 문제해결을 위해 낮은 공정 온도에서도 열적 안정성을 유지하면서 나노입자 촉매들을 금속산화물 지지체에 균일하게 결착시키기 위해 금속산화물의 실시간 상변화를 활용한 저온 엑솔루션 기술을 새롭게 개발했다. 이 기술은 열처리만으로 금속이 도핑된 금속산화물에다양한 상변화를 일으켜, 손쉽게 나노입자 촉매들을 금속산화물 표면에 형성시키는 새로운 기술이다.
공동 연구진은 저온 엑솔루션 기술을 기반으로 합성된 재료를 활용해 악취의 근원이 되는 황화수소 기체만 선택적으로 감지할 수 있으면서 기존 가스 센서보다 훨씬 안정성이 향상된 가스 센서를 개발하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 저온 엑솔루션 기술은 우리 생활에서 쉽게 접할 수 있는 구취 진단기에 응용이 가능할 뿐만 아니라 산화 촉매, *개질 반응 등 다양한 나노입자 촉매가 활용되는 물리화학 촉매 개발에 쉽게 활용할 수 있다.
☞ 개질(Reforming): 열이나 촉매의 작용으로 탄화수소의 구조를 변화시켜 가술린의 품질을 높이는 조작을 말한다.
이번 연구를 주도한 김일두 교수는 "새로 개발한 저온 엑솔루션 공정은 고성능·고 안정성 나노촉매 합성을 위한 핵심적 기술로 자리를 잡을 것ˮ이라면서 "연구에서 발견한 구동력과 응용 방법을 활용하면, 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다ˮ 고 말했다.
이번 연구는 KAIST 김일두·정우철 교수와 POSTECH 한정우 교수, GIST 김봉중 교수 외에 KAIST 신소재공학과 장지수 박사와 김준규 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야의 권위 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 10월 온라인판에 실렸고 연구의 우수성을 인정받아 같은 저널 11월호 속표지 논문으로 선정됐다. 또한, 관련 기술은 국내·외에 특허 출원을 신청할 예정이다.
2020.11.24
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성형진 교수 연구팀, 랩온어칩(Lab on a Chip)지 표지논문 게재
우리 대학 기계공학과 성형진 교수 연구팀(초세대협업연구실)이 고주파수 표면탄성파 기반 마이크로스케일 음향흐름유동을 이용해 나노리터급 액적 내 화학적 농도 제어 기술을 개발했다.
동전 크기의 초소형 미세유체칩 내에 서로 섞이지 않는 두 유체로 조성된 마이크로스케일 액적을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체역학 분야에서 개별 액적 내 화학적 농도를 제어하기 위해 그동안 많은 노력이 기울여져 왔다. 하지만 지금까지 개발된 액적 내 화학적 농도 제어 기술은 복잡한 미세유로 혹은 별도의 외부 구동시스템이 필요하거나, 만들어진 액적의 병합 혹은 희석을 통해 액적 내 화학적 농도를 제어하기 때문에 동적 제어가 불가능하고 액적 간 화학적 농도 구배를 형성하기 어렵다는 한계를 지니고 있었다.
이번 연구에서 성형진 교수 연구팀은 고주파수 표면탄성파를 미세유체칩 내 유동에 집속하여 음향흐름유동을 발생시켜 농도 제어가 필요한 액상 화학 시료와 완충용액을 혼합한 후, 혼합된 액상 시료를 분산상으로 하는 나노리터급 액적을 생성함으로써 액적 내 화학적 농도의 정밀 제어할 수 있음을 보였다. 개발된 기술을 활용하여 미세유체칩 내 고속으로 생성되는 개별 액적의 화학적 농도를 동적으로 제어할 수 있으며, 더 나아가 액적라이브러리 내 액적 간 화학적 농도 구배를 자유롭게 형성할 수 있는 최초의 기술이라는 점에서 기존 기술보다 진일보한 기술이라는 평가를 받았다.
아울러 평면파 각스펙트럼 이론과 등가 구경 이론을 이용해 원형 빗살무늬전극에서 생성되는 집속 표면탄성파의 집속점 위치가 기하학적 중심이 아니라는 점을 밝혔다. 또한 MHz 대역의 초음파 대역의 압전기판 위 표면탄성파 및 유체 내 종파의 감쇄에 의해 생성되는 마이크로스케일 음향흐름유동 및 와류를 전산유체역학적으로 가시화하여 인가되는 표면탄성파의 진폭과 생성되는 음향흐름유동장 사이의 관계를 규명해 효율적인 마이크로스케일 유동 혼합을 위한 조건을 제시했다.
이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 세계적 권위 국제학술지인 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2020년 21호의 표지논문으로 선정됐다 (논문명: Acoustofluidic generation of droplets with tunable chemical concentrations). 이는 성형진 교수의 Lab on a Chip 학술지 2016년 4호, 17호, 2017년 6호, 2018년 3호, 19호에 이은 여섯 번째 표지논문으로 미세유체역학 분야의 선도적 연구 성과다.
성형진 교수 연구팀은 그동안 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제학술지에 380여편의 논문을 게재했으며, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 중견연구와 초세대협업연구실의 지원으로 수행됐다.
박진수 박사 (현 전남대 교수)와 성형진 교수는 “이번 연구에서 개발된 음향미세유체역학 기술을 통해 마이크로스케일 액적 내 화학적 농도를 칩 내에서 정밀·동적 제어하고 액적 간 농도 구배를 형성할 수 있는 최초의 기술로서, 개발된 기술이 약물스크리닝, 단일 세포 및 입자 기반 분석, 기능성 마이크로캡슐 합성 등 액적 기반 미세유체역학 시스템이 사용되는 다양한 분야에서 핵심 원천기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라며 연구 의의를 밝혔다.
2020.11.10
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차세대 발광 물질 카본닷의 발광 특성 변화 메커니즘을 규명
우리 대학 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 차세대 발광 물질인 이중 발광 *카본닷의 농도 의존성 발광 특성 변화 메커니즘을 규명했다고 5일 밝혔다.
☞ 카본닷(carbon-dot): 탄소 기반의 발광 물질로 풍부한 원료와 낮은 독성 및 환경친화적인 장점 때문에 기존에 상용화돼 있는 유기 발광체, 양자점(퀀텀닷)을 대체할 수 있는 차세대 발광 물질로 부상하고 있음.
김도현 교수 연구팀은 청색 및 적색을 이중 발광하는 카본닷을 합성한 후 농도에 따른 발광 특성 변화를 관찰해 카본닷 발광 소스 간 상호작용에 따른 현상을 분석했다. 김도현 교수팀의 연구 결과는 카본닷의 발광 특성 제어는 물론 이론적 이해를 가능케 함으로써 이중 발광 카본닷의 복잡한 발광 특성 해석에 새로운 근거를 제시한 것으로 평가받고 있다.
우리 대학 유효정 박사과정, 곽병은 석박사통합과정이 각각 제1, 제2 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `피지컬 케미스트리 케미컬 피직스(Physical Chemistry Chemical Physics, PCCP)' 9월 22권 36호 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Interparticle distance as a key factor for controlling the dual-emission properties of carbon dots)
카본닷은 다양한 발광 준위 에너지를 동시에 갖기 때문에 다색발광이 가능하며 농도 변화에 따른 발광 특성 변화를 보인다. 이 같은 특성은 기존 발광 물질인 유기 발광체, 양자점과는 구별되는 카본닷만이 지닌 독자적이고 유용한 특성이다.
최근 들어 다양한 분야에 카본닷의 발광 특성을 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 백색광 및 광학 센서 분야에서 다색발광은 하나의 형광체만으로도 장치 구현이 가능하고 레퍼런스 신호를 제공해 센서의 정확도를 높일 수 있다는 장점 때문에 카본닷 다색발광의 구현과 제어가 중요한 연구과제로 떠오르고 있다.
카본닷은 다색발광과 농도 변화에 따라 다양한 발광 특성을 보이지만 매우 드물게 만들어진다는 게 약점이다. 또 복수 발광 소스 사이의 복잡한 상호작용으로 인해 카본닷의 다색발광과 농도 변화에 따른 다양한 발광 메커니즘을 규명한 연구가 거의 이뤄지지 않고 있다.
연구팀은 이런 문제해결을 위해 청색·적색 이중 발광 카본닷을 합성해 카본닷의 입자 간 거리가 카본닷 발광 특성 변화에 중요한 역할을 한다는 점을 밝히는 연구를 진행했다.
기존의 농도 변화에 따른 카본닷의 발광 특성 변화를 용매 의존 발색 현상에 빗대 수소 결합 영향에 의한 현상으로 해석한 사례가 있지만, 김 교수 연구팀은 카본닷 발광 현상의 농도 의존성이 수소 결합과는 상관없이 입자 간 거리에 의해 제어되는 현상일 수 있다는 가능성에 주목했다.
연구팀이 농도 변화에 따른 카본닷의 이중 발광 특성의 변화를 관찰한 결과, 임계 농도에서 적색 발광에 가장 적합한 입자 간 거리를 형성하고, 이 농도를 전후로 청색 발광이 강해지면서 카본닷의 농도별 이중 발광 특성이 변화하는 현상을 확인했다.
연구팀은 이를 기반으로 분광 분석을 통해 이중 발광의 청색 및 적색의 두 발광 소스를 각각 표면 작용기와 코어의 결합구조로 구분해 농도 변화에 따라 각 발광 소스의 이중 발광에 대한 기여도가 변화한다는 구체적인 설명을 제시했다. 연구팀은 특히 고농도 영역에서 두 발광 소스의 상호작용에 대한 메커니즘 제시를 통해 입자 간 거리 변화 때문에 이중 발광 특성이 제어된다는 결과를 얻었다.
연구팀이 합성한 이중 발광 카본닷은 단일 형광체로서 청색과 적색 발광을 동시 구현할 수 있고 특성 제어가 가능함에 따라 혼합색 구현은 물론 색 변화에 의한 센싱에 사용할 수 있다.
연구팀은 또 이중 발광 카본닷의 농도 조절을 통해 순수한 백색에 근접한 백색 LED 구현에도 성공하는 한편 색 변화에 의한 pH 센싱에 활용해 pH에 따른 청색·적색의 상대적 발광 세기 변화를 통해 pH 추정이 가능함을 보였다. 기존에 제시됐던 카본닷이 고도화된 기능성을 가진 발광체로써 사용될 수 있다는 가능성을 이번 연구를 통해 다시 한 번 입증한 것이다.
제1 저자인 유효정 박사과정 학생은 "카본닷 입자 간 거리에 따라 발광 소스의 상호작용이 일어나 농도에 따른 발광 특성에 변화가 일어난다는 해석은 기존 연구에서 간과됐던 부분ˮ이라면서 "이중 발광 현상에 대한 분석과 함께 이 연구 결과가 카본닷 발광 현상 규명에 있어 새로운 관점을 제시한 것ˮ이라고 의미를 부여했다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.11.05
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액정화면 깨뜨리지 않고 부드럽게 터치하는 인공손가락 개발
우리 대학 연구진이 액정 같이 깨어지기 쉬운 화면을 부드럽게 터치해 다양한 작업을 할 수 있는 인공손가락을 선보였다.
기계공학과 오일권 교수 연구팀이 스마트폰이나 햅틱 반응형 디스플레이를 정교하게 터치할 수 있는 소프트 터치 액츄에이터 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 부드럽고 얇은 박막형의 소프트 터치 *액츄에이터를 원격으로 조정, 스마트폰 화면 위에서 전자피아노 연주하기, 전자책 넘기기, 화면스크롤하기 등을 시연해냈다.
※ 액츄에이터 : 전기적 신호를 기계적 운동으로 변환하는 장치
일종의 디지털 촉각인 ‘햅틱’을 구현, 사람 또는 전자디바이스와 섬세한 피드백을 주고받는 한편 가상현실이나 증강현실을 보다 실감나게 하려는 연구가 활발하다.
주로 부드러운 인공근육 기반 소프트 액츄에이터에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있지만, 낮은 전압에서는 반응속도가 너무 느려 터치형 액츄에이터로 활용하기에 어려움이 있었다.
인체에 나쁜 영향을 주거나 디바이스의 오작동을 유발하지 않으면서 터치 피드백을 주고받기 위해서는 저전압 구동이 전제되어야 하기 때문이다.
이에 연구팀은 저전압에서도 빠르게 반응할 수 있는 높은 효율의 소프트 액츄에이터를 위한 새로운 소재를 물색하였다.
유연성을 위해 금속을 배제한 공유결합으로 된 다공성 고리화합물(*트라이어진 고리)을 합성하고 널리 쓰이는 전도성 고분자(PE DOT-PSS)를 결합했다.
※ 트라이어진 고리(Covalent Triazine Framework, CTF) : 다공성 내인성 미세조도(PIM-1) 고분자로 이루어진 물질
실제 이 소재의 액츄에이터로 만든 인공손가락은 낮은 전압(±0.5V)으로도 빠르게 큰 변형을 만들 수 있어 부드러운 터치반응을 유도할 수 있었다.
핵심은 다공성 탄소구조체로 인해 비표면적을 극대화한 것이다. 비표적을 넓혀 표면전하량을 늘리는 한편 작동속도와 반응성도 높일 수 있었다. 실제 0.5V에서 17mm 정도 구부러지는 변형을 확인했다.
개발된 소프트 터치 액츄에이터를 배열형태로 확장하여 스마트폰 전자피아노 어플리케이션 위에서 연속적 터치를 통해서‘Happy Birthday’를 연주하였으며 전자책넘기기와 화면스크롤 기능 등을 구현했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구사업(창의연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 10월 23일 게재됐다.
2020.11.05
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2차원 신소재를 1차원 리본으로 오려내는 나노 가위 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀과 공동연구로 2차원 반도체인 *전이금속 칼코지나이드 물질을 얇은 리본 형태로 오려낼 수 있는 신기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
☞ 2차원 전이금속 칼코지나이드 : 전이금속원소와 칼코겐 원소의 화합물. 평면 방향으로는 전이금속원소와 칼코겐 원소가 강한 공유결합을 하고 있으나, 수직 방향으로 약한 반데르발스 결합을 하는 층상구조를 가지고 있다. 이를 이용하여 층간 분리를 통해 2차원 단층 형태로 박리가 가능하다.
연구팀은 간단한 초음파 처리를 통해 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질을 일정한 방향으로 절개해 긴 나노 리본 형태로 오려내는 데 세계 최초로 성공했다. 김상욱 교수와 정유성 교수 공동 연구팀이 개발한 이 신소재는 기존 백금 촉매를 대체하여 수소 발생 반응 촉매로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
우리 대학 신소재공학과의 인도 출신인 수치스라 파드마잔 사시카라(Suchithra Padmajan Sasikala) 연구교수가 제1 저자로 참여한 이번 연구성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 10월 6일 字 온라인 판에 게재됐다.(논문명: Longitudinal unzipping of 2D transition metal dichalcogenides)
수소는 공해물질을 배출하지 않기 때문에 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 신 에너지 자원으로 주목받고 있다. 수소를 생산하는 가장 환경친화적인 방법은 화학적으로 물을 분해하는 방법인데 이 경우 효율적으로 수소를 생성할 수 있도록 값싸고 높은 효율의 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다.
2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 우수한 촉매 성능을 지니고 있어 에너지·환경 분야에 응용이 기대되는 소재다. 하지만 보다 높은 촉매 성능을 달성하기 위해서는 촉매 활성을 갖는 2차원 소재의 가장자리를 많이 노출하는 방법이 요구돼왔다. 종이를 오려내듯 2차원 소재를 길쭉한 1차원 리본 형태로 오려내게 되면 더 많은 가장자리를 노출할 수 있다는 장점 때문이다.
현재까지는 그래핀과 같이 한가지 원소로만 이루어진 2차원 소재의 경우 여러 방법의 오려내는 기술이 보고돼왔지만, 2개 이상의 원소로 이뤄진 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질에 이를 적용하는 데 한계가 따랐다.
공동 연구진은 문제해결을 위해 화학 반응을 통해 2차원 소재의 특성 변화를 유도한 후, 저렴한 초음파 처리 공정을 통해 1차원 리본 형태로 오려내는 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.
연구팀은 2차원 소재 표면이 산소와 일정한 방향성을 가지고 화학 반응한다는 점을 발견하고 간단한 초음파 자극을 통해 1차원 리본 형태로 오려냈다. 이어 이 기술을 활용해 기존 고가의 백금 촉매에 견줄 만한 높은 성능을 지닌 수소 발생 반응 촉매를 구현했다.
연구팀 관계자는 "기존에 보고된 적이 없는 다원소로 구성된 2차원 전이금속 칼코지나이드 소재를 오려내는 새로운 기술 개발을 계기로 다양한 다원소 저차원 나노 신물질을 제조할 것으로 크게 기대가 된다ˮ고 설명했다.
교신저자로 이번 연구를 주도한 김상욱 교수는 "2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 뛰어난 물성에도 불구하고 나노구조를 정교하게 조절하는 방법이 부족했다"면서 "이번 연구를 계기로 가격이 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매의 개발도 가능할 것이다"고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.10.15
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성냥개비 탑 형상의 초고효율 수소생산 촉매 소재 개발
우리 대학 신소재공학과 정연식 교수 · 한국과학기술연구원 김진영 박사 공동 연구팀이 차세대 에너지원인 수소생산에 사용되고 있는 기존의 촉매 대비 20배 이상 효율을 더 높인 신개념 3차원 나노촉매 소재 기술개발에 성공했다고 8일 밝혔다.
수소 경제는 화석연료 중심의 현재 에너지 공급 체계에서 벗어나 수소를 주 에너지원으로 사용하는 미래형 산업 구조다. 수소는 친환경적이면서 높은 효율을 가지고 있다는 점에서 매력적인 에너지로 꼽히는데 우리 정부도 수소 경제 육성과 활성화를 위해 잰걸음을 내고 있다. 수소 경제 현실화를 위해서는 수소를 저렴하게 생산하는 문제가 핵심 과제 중 하나다. 이중에서도 '고분자 전해질막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE)' 기술은 태양전지 또는 잉여 전기에너지를 이용해 물을 전기분해함으로써 친환경적으로 순도가 높은 수소를 생산하는 차세대 유망 기술이다.
KAIST-KIST 공동연구팀은 전기분해 장치의 양극에 사용되는 고가의 이리듐(Ir) 촉매 사용량을 획기적으로 감축할 수 있는 새로운 개념의 3차원 촉매소재 기술을 개발하는 데 성공했다.
이리듐 촉매는 금 수준으로 매우 고가이므로 고분자 전해질막 수전해 장치 상용화를 위해서는 사용량 감축은 물론 효율을 대폭 개선할 필요가 있다.
연구팀은 3차원 프린팅과 유사한 원리인 초미세 전사프린팅 적층 기술을 활용해 '성냥개비 탑(Woodpile)' 형상의 3차원 이리듐 촉매 구조를 인쇄 방식으로 제작하는 기술을 개발했다. 무작위적 형상과 배열을 가지는 기존 상용 이리듐 나노입자 촉매와 달리 3차원 촉매는 규칙적 구조를 지니고 있기 때문에 촉매 표면에서 생성된 가스 버블(bubble)이 효율적으로 잘 빠져나오는 특징을 갖는다. 공동 연구팀 관계자는 결과적으로 3차원 촉매의 경우 높은 활성도를 유지한다고 설명했다.
성냥개비 탑 형상의 3차원 촉매를 사용하게 되면 훨씬 더 적은 양의 이리듐을 사용하고도 전기분해 장치의 성능을 더 높게 구현할 수 있는데, 이리듐 질량 당 촉매 효율로 환산하면 20배 이상의 높은 효율을 보일 정도의 획기적인 기술로 전문가들은 평가하고 있다.
우리 대학 신소재공학과 석사과정 졸업생이면서 미국 MIT 박사과정에 재학 중인 김예지 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 10월 1일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Highly efficient oxygen evolution reaction via facile bubble transport realized by three-dimensionally stack-printed catalysts)
KIST 김진영 박사는 "이번 연구결과를 활용할 경우 귀금속 촉매 비용을 절감하면서도 동시에 성능을 획기적으로 증대시킬 수 있기 때문에 상업적 경쟁력 확보가 가능한 친환경 수소생산이 가능하다"고 전망했다.
우리 대학 정연식 교수는 특히 "연구팀이 개발한 3차원 적층 프린팅 방식의 촉매 생산기술은 복잡한 화학적 합성에 주로 의존하던 기존 기술의 패러다임을 뒤집은 것이며, 향후 이산화탄소 전환, 배기가스 감축 등 다양한 분야에 상업적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다"라고 강조했다.
이번 연구에는 우리 대학 기계공학과 김형수 교수, KIST 박현서 박사, 연세대 안현서 교수 등이 공동 연구진으로 참여했으며, Saudi Aramco-KAIST CO2 Management Center를 비롯, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어 사업 및 수소에너지혁신기술개발사업, KIST 주요사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
2020.10.08
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커피링 효과로 감염성 병원균 신속 진단키트 개발
감염성 병원균을 현장에서 육안으로 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 기술이 우리 연구진에 의해 개발됐다. 의료시설 접근이 어려운 환경에서, 그리고 분자진단(RT-PCR) 장비의 대안으로 빠른 사용과 활용이 기대된다.
우리 대학 생명과학과 정현정 교수 연구팀이 '커피링 등온 유전자 검출법(i-CoRi, isothermal coffee ring assay)' 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.
'커피링 효과'란 사물 표면에 떨어진 커피 방울이 증발하면서 특징적인 링(ring) 모양이 생기는 효과다. 연구팀은 이 효과에서 아이디어를 얻어 상온에서 육안으로 병원균 유전자를 선택적으로 감별 및 고감도 검출이 가능한 기술을 개발했다. 이 기술은 RT-PCR 등 기존 분자진단 기술처럼 고가의 정밀한 장비가 필요한 문제점을 해소할 수 있다. 즉, 정 교수팀이 개발한 기술은 쉽고 간단한 POCT(point-of-care testing) 기술로 저가라는 게 큰 장점이다.
우리 대학 생명과학과 강유경 박사가 제1 저자로, 생명과학과 석박사통합과정 임산해, 나노과학기술대학원 석박사통합과정 류제성 학생이 공동저자로 참여한 이번 연구 결과는 바이오센서 분야 국제학술지 '바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics, IF 10.257)' 9월 6일 字 온라인에 게재됐다. (논문명: Simple visualized readout of suppressed coffee ring patterns for rapid and isothermal genetic testing of antibacterial resistance)
정 교수 연구팀이 개발한 '커피링 등온 유전자 검출법'은 병원균 감염의 빠른 판별을 위해 시료를 표면에 떨어뜨려 커피링 패턴을 유도, 육안으로 관찰함으로써 병원균의 내성 종류를 선택적으로 정확하게 검출이 가능할 뿐 아니라 스마트폰 등을 이용한 모바일 진단이 가능한 기술이다.
콜로이드 용액이 기판 표면에서 증발할 때, 표면장력과 모세관 운동에 따라 미세입자들이 이를 포함하는 용액 방울 주변으로 이동해 특징적인 링 패턴을 형성한다. 연구팀은 표적 유전자 물질이 존재할 경우 미세입자와 유전자 물질의 선택적 인식에 의한 입자-핵산 물질 간 상호 응축을 유도해 링 패턴을 억제함으로써 병원균을 감별했다.
연구팀은 또 커피링 현상에 회전 환 증폭(rolling circle amplification) 기반의 등온 증폭기술을 융합했는데 융합과정에서 생성된 긴 단일 가닥의 표적 DNA 물질이 미세입자(직경 0.1~10 마이크로미터 가량) 크기로 응축되도록 효과를 극대화했다. 연구팀은 이밖에 *젭토 몰 농도 이하의 범위(sub-zeptomolar)에서도 병원균 표적 물질을 육안으로 검출하거나 스마트폰 등 모바일 장치를 통해 기록과 판독이 모두 가능한 기술을 개발했다.
☞ 젭토(zepto): 10＾(-21) 을 뜻하는 접두어. 1 젭토 몰 농도는 용액 10 cc에 분자 6개가 존재하는 농도로, 기존의 현장 진단키트의 경우는 1 젭토 몰 농도의 약 1,000배 이상의 표적 물질이 존재해야 검출이 가능하다.
연구팀에서 개발한 '커피링 등온 유전자 검출' 기술은 신속하고 높은 선택성과 민감도를 지니고 있어 유전자상 2개 염기의 차이를 구별하며 별도의 분석 장비 없이 30분 이내에 항생제 내성 유전자 검출과 함께 혈청 등 복잡한 시료에서도 검출이 가능한 게 특징이다.
연구팀은 이와 함께 자동판독을 위한 진단키트로의 활용을 위해 미세입자에 의해 나타나는 공간 패턴의 이미지를 판독할 수 있는 알고리즘을 정립했고, 이를 통해 커피링 형성에 따른 감염 여부를 판별하는 데 성공했다.
정현정 교수는 "연구팀이 개발한 `커피링 등온 유전자 검출법'은 진료소나 클리닉 등에서 병상 분석을 위해서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ면서 "현재 코로나바이러스감염증(COVID-19)을 진단하는 데 적용하기 위한 연구를 진행 중이다ˮ고 밝혔다.
이번 연구는 한국보건산업진흥원 감염병위기대응기술개발사업 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업 지원을 통해 이뤄졌다.
2020.09.16
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코로나19 감염 중증도 결정하는 인자 발견
코로나19로 위중, 중증 상태인 중환자가 6일 0시 기준 163명을 기록했다. 지난달 19일 12명이었던 위중, 중증 환자는 20여일 만에 13배 넘게 늘어났다. 이러한 심각한 상황에서 우리 연구진이 코로나19 중증 환자와 경증 환자를 쉽게 판별할 수 있는 바이오 마커(표시물)를 발견해 중증 코로나19에 대한 치료제 개발에 기대감을 높였다.
우리 대학 의과학대학원 이흥규 교수 연구팀이 *'호중구'와 *'당질코르티코이드'의 연관성을 밝혀 코로나19의 중증도를 결정짓는 인자를 발견했다고 7일 밝혔다.
☞ 호중구(neutrophil) : 혈액의 전체 백혈구 중 50~70%를 차지하는 선천 면역세포로, 세균이나 곰팡이 감염 등에 대응하는 면역세포이다.
☞ 당질코르티코이드(glucocorticoid) : 글루코코르티코이드라고도 하며 콩팥 근처 부신의 부신 겉질에서 생성되는 호르몬으로, 다양한 신체 기능 조절에 관여한다. 특히, 면역반응을 억제하는 호르몬으로도 알려져 있다.
WHO에 의해 세계적 대유행(팬데믹)으로 지정된 코로나바이러스감염증(COVID-19)은 사람마다 증상이 판이하다. 따라서, 환자의 중증도를 예상 및 판별하기 위해서는 확실한 바이오 마커의 활용이 중요하며, 이들을 선별적으로 치료할 수 있는 표적 치료제가 매우 중요하다.
중증 코로나19 환자들은 급성 호흡곤란 증후군의 증상을 보이고 특히 폐 조직의 심한 손상이 관찰된다. 이에 대응해 호중구 등 다양한 면역세포들이 바이러스 감염으로부터 숙주를 보호하기 위해 면역반응을 보이지만 사이토카인 폭풍(과잉 염증반응)처럼 과도한 면역반응으로 오히려 장기를 손상시킬 수도 있다.
이 교수 연구팀은 유전자 발현 옴니버스(GEO)에 공개된 코로나19 감염 경증 및 중증 환자의 기관지 폐포 세척액에 존재하는 단일세포 유전 정보를 분석했다. 그 결과, 그동안 곰팡이나 세균 감염에서만 중요성이 알려졌고 바이러스 감염 시에는 상대적으로 중요성이 알려지지 않았던 호중구의 과활성화로 인해 중증 코로나19가 발생함을 밝혔다.
특히 연구팀은 대식세포 등의 골수 유래 면역세포 내에서 발현하는 CXCL8과 같은 *케모카인에 의해 호중구 유입이 증가함을 밝혔다. 연구팀은 골수에서 유래한 면역세포 내의 당질코르티코이드 수용체 발현에 따라 CXCL8의 생성이 조절받으며, 이것이 결과적으로 호중구의 유입 및 활성도와 연관됨을 밝혔다.
☞ 케모카인(chemokine): 백혈구유주작용, 활성화작용을 하는 염기성헤파린 결합성 저분자 단백질
이 교수는 "이번 연구 결과는 코로나19의 중증도를 결정하는 바이오 마커를 발굴한 것 뿐만 아니라, 덱사메타손 등의 당질코르티코이드 억제제를 활용해 중증도를 개선할 치료제 개발에 단초를 제공할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
의과학대학원 박장현 석박사통합과정 대학원생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제면역학회연합에서 발간하는 면역학 전문 학술지인 '프론티어스 인 이뮤놀로지(Frontiers in Immunology)' 8월 28일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Re-analysis of Single Cell Transcriptome Reveals That the NR3C1-CXCL8-Neutrophil Axis Determines the Severity of COVID-19)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 코리아 바이오 그랜드 챌린지사업, 신약타겟발굴 및 검증사업 및 KAIST 코로나 대응 과학기술 뉴딜사업을 받아 수행됐다.
2020.09.07
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언제 어디서든 사람을 살리는 상시 동작형 유해가스 감지 센서 개발
밀폐된 공간에서 유해가스를 감지해 안전사고를 사전에 방지할 수 있는 초 저전력 유해가스 감지 센서가 우리 연구진에 의해 개발됐다.
우리 대학 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀은 독자 기술로 개발한 나노 소재 *'나노린'을 통해 상시 동작이 가능한 초 저전력 유해가스 감지 센서를 개발했다고 1일 밝혔다.
☞ 나노린(Nanolene): 완벽하게 정렬된 나노와이어 다발들이 공중에 떠 있는 구조를 지칭하는 용어. 나노와이어의 Nanoline과 그래핀과 같은 2차원 나노 재료의 접미사 –ene을 합성해 탄생한 단어다.
일산화탄소 등의 유해가스에 의한 안타까운 인명 사고는 과거로부터 현재까지 끊임없이 반복되고 있다. 이에 따라 유해가스를 실시간으로 감지하는 예방 기술에 대한 대중의 관심과 수요가 꾸준히 증가하는 추세인데 학계에서도 유해가스 감지 센서 개발을 위한 연구가 활발하다.
금속산화물을 기반으로 하는 가스 센서는 소형화에 유리하고, 생산 단가가 저렴해서 관련 산업에 활용이 가능한 가스 감지 기술로 주목받아 왔다. 가스 센서는 수백 도 씨(℃) 내외의 고온에서 동작하기 때문에 히터를 통한 열에너지 공급이 필수적이다.
이때 주변으로 방출되는 다량의 열과 히터의 높은 소비 전력 때문에 스마트폰과 같은 휴대용기기에 적용 가능한 실시간 가스 센서를 개발하기는 쉽지 않다. 윤준보 교수팀이 개발한 유해가스 감지 센서는 독자적인 나노 공정 기술을 통해 개발한 나노 소재 `나노린'을 활용해 초 저전력으로 언제, 어디서든 항상 사용이 가능한 게 큰 특징이다.
나노 소재는 독특한 전기적, 화학적 특성 때문에 미래 센서 기술의 핵심 구성 요소로 주목받고 있지만, 제조 방법상 크기를 제어하기가 쉽지 않고 원하는 위치에 정렬된 형태로 구현하는 것 또한 어렵다. 윤 교수 연구팀은 나노린을 통해 이런 문제점을 해결했다. 윤 교수팀이 개발한 이 기술은 기존의 나노 소재 제작 방법과는 다른, 일반적인 반도체 공정을 기반으로 제작하기 때문에 양산성이 뛰어나고(대량생산이 가능) 산업적 활용 가치 또한 매우 높다고 평가받고 있다.
연구팀은 우선 나노린을 초 저전력 나노 히터에 활용했다. 시험과정에서 나노 소재가 지닌 고유의 열 고립 효과를 통해 기존 마이크로히터의 물리적 한계를 뛰어넘는 초 저전력 고온 구동을 실현하는 데 성공했다. 이와 함께 나노 히터에 완벽하게 정렬된 형태의 금속산화물 나노와이어를 일체형으로 집적해 가스 센서로 응용했는데 스마트폰 내장에 적합한 수준의 낮은 소비 전력으로 일산화탄소 가스 검출에 성공했다.
과거 광부들은 유해가스로부터 생명을 지키기 위해 탄광에 들어갈 때마다 카나리아라는 새를 데리고 들어갔다. 카나리아는 메탄, 일산화탄소 가스에 매우 민감해 유해가스에 소량만 노출돼도 죽는다. 광부들은 카나리아의 노래가 들리면 안심하고 채굴했고 카나리아가 노래를 부르지 않을 땐 탄광에서 뛰쳐나와 스스로 생명을 지킬 수 있었다.
윤준보 교수는 "상시 동작형 가스 센서는 언제 어디서나 유해가스의 위험을 알려주는 '스마트폰 속 카나리아'로 활용이 기대된다ˮ고 연구결과를 소개했다.
제1 저자인 전기및전자공학부 최광욱 박사는 이를 휴대용기기에 내장하기 적합한 초 저전력 가스 센서 기술이라고 설명하면서 "이 기술이 가스 사고를 사전에 차단하고 인명 사고를 막는 데 활용되길 기대한다ˮ고 말했다.
KAIST UP 프로그램과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)' 8월 12일 字에 온라인으로 게재되는 한편 연구 내용의 우수성을 인정받아 오프라인 저널의 후면 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Perfectly Aligned, Air-Suspended Nanowire Array Heater and Its Application in an Always-On Gas Sensor)
2020.09.01
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아동용 웨어러블 기기에 소리를 입혀 상상을 더하다
우리 대학 산업디자인학과 이우훈 교수 연구팀이 웨어러블 기기에 소리증강 기술을 접목해 아동의 놀이경험을 대폭 향상시킨 아동용 팔찌형 웨어러블 기기를 개발했다.
이 교수 연구팀이 개발한 웨어러블 기기는 아이들이 소리를 탐색하고, 선택하며, 발생시키는 한편 여러 기기 간에 소리를 교환하고 놀이에 소리를 활용할 수 있는 이른바 `사운드웨어(SoundWear)'라고 이름 붙인 팔찌 형태의 웨어러블 기기다. 이 기기는 아이들이 소리를 자유롭게 해석해 마음껏 상상을 펼칠 수 있게 놀이에 소리증강 기술을 적용했다. 이에 따라 기존 모바일 스크린 기반의 시각증강 기술보다 더 창의적이고 탐색적인 방향으로 아이들의 놀이 및 교육을 이끄는 데 활용될 것으로 기대된다.
산업디자인학과 홍지우 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 이달 6일 열린 국제학술대회 `ACM DIS (Designing Interactive Systems) 2020'에서 발표됐는데 우수논문상인 어너러블 멘션(Honorable Mention)을 수상했다.(논문명 : SoundWear: Effect of Non-speech Sound Augmentation on the Outdoor Play Experience of Children).
최근 디지털 기술은 아이들이 모바일 기기·컴퓨터·스마트 장난감 등의 새로운 기기상에서 더욱 다 감각적이고 쌍방향적인 놀이를 할 수 있도록
개발되는 추세로 아동들의 유희적인 경험에 새로운 지평을 열고 있다. 그러나 디지털 기술은 아이들로 하여금 놀이 시간의 대부분을 지나치게 영상 시청과 게임 등에 몰입도를 배가시키고 있어 기존 놀이에서 얻을 수 있던 가치들을 없애고 있다는 우려가 대두되고 있다.
그동안 자유로운 야외놀이를 위한 디지털 기술로 활용돼온 모바일 스크린 기반의 시각증강 기술조차도 친구들과의 놀이 주제에 대한 논의와 발전보다는 스크린으로의 몰입을 유도함으로써 상상력 증진과 사회성 발달 등을 지원하는 데에는 한계가 존재한다고 지적돼 온 게 사실이다.
따라서 아이들이 기존 놀이에서처럼 신체활동을 비롯해 사회적 상호작용, 상상력 등을 주도적으로 발휘하도록 돕되 디지털 기술의 장점을 효과적으로 활용하는 방향으로의 접근이 필요하다는 주장이 제기돼 왔다.
이 교수 연구팀은 이를 위해 추상적이고 전방향적인 특성으로 상상을 북돋고 사회적 인식을 높여 창의적 사회적인 놀이경험 제공에 효과적일 수 있는 소리증강 기술을 활용한 웨어러블 기기인 `사운드웨어'를 고안했다.
`사운드웨어'는 일상소리(Everyday sound) 및 악기 소리(Instrumental sound) 등으로 구성된 비음성 소리(Non-speech sound)를 주요 소리증강의 자료로 활용했다. 이를 통해 기기를 착용한 아이들은 직접 물리적인 팔레트 상에 마련된 다수의 소리 유닛들에 기기를 올려 소리를 탐색하며, 원하는 소리를 선택할 수 있고 팔을 흔들어 소리를 내면서 또 여러 기기 간에 소리를 교환할 수 있다.
연구팀 관계자는 아이들을 대상으로 한 실험결과, 일상소리는 아이들이 사물과 상황에 대한 적극적인 상상을 통해 기존 소리가 없는 야외놀이와는 차별화되는 놀이 행동을 보였으며 악기 소리는 아이들이 소리증강의 특성에 집중해 이를 새로운 놀이 요소로 활용하는 것을 확인할 수 있었다고 설명했다.
이 관계자는 또 직접 소리증강을 탐색하고 선택하고 발생시키도록 하는 디자인을 통해 아이들이 성취감과 소리에 대한 소유감을 느끼고 이를 보상으로 삼아 물리적·사회적으로 적극적인 놀이 활동을 수행하는 것을 확인했다고 덧붙였다.
제1 저자인 홍지우 박사과정 학생은 "아이들이 주도적으로 소리증강을 야외놀이에 접목하면서 자신들만의 놀이를 만들기 위해 탐색하고 상상하고 소통하는 모습을 보였다ˮ면서 "그동안 긍정과 부정 즉, 양면적 시각이 존재해왔던 디지털 기술이 적절한 디자인에 따라서도 아이들의 창의적·사회적 놀이경험을 위해 충분히 활용될 수 있음을 의미하는 결과ˮ라고 설명했다.
이우훈 교수도 "아동용 놀이 용품과 각종 기기를 제작하는 엔지니어와 디자이너뿐 아니라 아이들에게 디지털 기술을 어떻게 제공하고 활용해야 하는지 궁금하게 여겼던 부모와 교육자에게도 흥미로운 정보이자 이에 관해 본격적인 논의의 필요성을 제기한 연구ˮ라고 이번 연구의 의미를 강조했다.
이번 연구는 한국연구재단 인문사회 분야 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.07.30
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광유전학 · 광치료 연구를 위한 투명 전극 개발
우리 대학 전기및전자공학부 이현주 교수와 이정용 교수, 의과학대학원 이정호 교수 공동연구팀이 폴리머 전기방사 기술을 미세 전자 기계 시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 공정에 접목해 실시간으로 뇌피질 전도 측정이 가능한 투명하고 유연한 미세전극 어레이(배열)를 개발했다고 15일 밝혔다.
☞ 폴리머: 한 종류 또는 수 종류의 구성단위가 서로에게 많은 수의 화학결합으로 중합돼 연결된 상태의 분자로 구성된 화합물. 통상적으로 고분자 화합물(분자량이 1만 이상의 화합물)과 같은 의미로 사용되는 경우가 많은데 고분자를 영어로는 폴리머(polymer)라고 부른다.
☞ 전기방사: 폴리머(고분자) 용액에 고전압을 인가해 나노파이버(나노섬유)를 생산하는 첨단 기술
☞ 미세 전자 기계 시스템: 마이크로 단위의 기계적 구조물과 전자 회로가 결합된 초소형 정밀 기계 제작 기술. 전자(반도체) 기술·기계 기술·광 기술 등을 융합해 마이크로 단위의 작은 부품 및 시스템을 설계·제작하고 응용하는 기술을 의미
이번에 개발된 뇌피질 전도 미세전극 어레이는 기존의 불투명한 금속 전극과는 달리 빛에 의해 발생하는 잡음 신호가 매우 작고 자유로운 빛의 전달이 가능해 광유전학 및 광 치료 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
최근 빛의 새로운 활용법과 생체 내 효능에 대한 발견으로 인해 빛을 생체 내의 특정 영역에 조사해 생기는 반응과 효과에 관한 연구들이 주목을 받고 있다. 대표적인 예가 광유전학, 광 치료 기술 등이다. 광유전학은 기존 신경 자극기술과는 달리 매우 국소적인 부위의 신경 세포를 자극하고, 광 치료법은 수면장애와 알츠하이머병의 치료 가능성으로 이 분야에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
빛에 의한 생체 내 반응을 측정하는 대표적인 방법으로는 체내에 센서 등을 장착해서 호르몬의 분비과정에서 발생하는 전기생리 신호를 측정하는 방법이다. 통상적으로 전기생리 신호 측정을 위해 사용하는 일반적인 금속 박막 전극은 높은 반사도와 낮은 투과도 때문에 빛의 전달을 방해할 뿐만 아니라 빛을 쬘 때 베크렐 효과(금속 전극이 빛을 받으면 전극에 전위차가 생겨 전류가 흐르는 현상)에 의해 '포토일렉트릭 아티팩트'라는 잡음 신호가 발생한다. 따라서 일반 금속 박막 전극은 정확한 전기생리 신호를 측정하기가 어렵다.
이현주 교수팀은 그간 이런 문제해결을 위해 MEMS 공정을 통해 제작되는 미세전극 어레이를 투명화하기 위한 연구를 지속적으로 수행해왔는데 최근 폴리머 전기방사 기술을 MEMS 공정에 접목해 뇌피질 전도(ECoG, ElectroCorticoGram)측정을 위한 유연하고 투명한 미세전극 어레이를 제작하는데 성공했다. 이 장치는 높은 투과도를 지니고 있어 '포토일렉트릭 아티팩트'가 매우 약하고 또 빛의 전달이 매우 용이하기 때문에 다른 투명 미세전극 어레이와 비교해 보면 전기화학 임피던스가 낮아 뇌피질 전도 측정이 매우 유리하다.
연구팀은 자체개발한 유연·투명한 미세전극 어레이 성능평가를 위해 외부 변형에 따른 저항 변화와 전기방사 시간에 따른 전기화학 임피던스, 전하 저장 용량 등을 측정한 결과, 전극 자체의 특성을 쉽게 조절이 가능한 점 등 여러 면에서 우수한 성능을 보였다고 설명했다. 연구팀은 특히 미세 전극에서 발생하는 `포토일렉트릭 아티팩트'를 비교 분석했는데 10배 이상 감쇄 효과가 있음을 확인했다. 이와 함께 쥐 뇌의 다양한 피질 영역에 걸쳐 유연·투명한 미세전극 어레이를 위치시킨 후 광 자극을 통해 발생하는 뇌피질 전도 신호를 측정한 결과, 신호를 정량적으로 비교하고 빛이 원활하게 전달되는 현상을 관측하는데 성공했다.
연구팀은 현재 이 신기술을 기반으로 광 자극과 함께 정확한 뇌피질 전도를 실시간으로 측정할 수 있는 미세전극과 미세광원이 집적된 다기능성 미세전극 어레이 개발을 위한 후속연구를 진행 중이다. 광원과 전극이 함께 집적된 다기능성 소자 개발에 성공할 경우 광유전학이나 광 치료 등의 연구를 진행하는 뇌과학자들이 편하게 사용할 수 있는 뉴로 툴(Tool) 개발로 이어질 것으로 전문가들은 예상하고 있다.
이현주 교수는 "기존에는 광전 효과로 인해 불가피하게 발생하는 잡음 신호로 인해서 광 자극과 동시에 뇌피질 전도 측정이 불가능했지만 유연하고 투명한 미세전극 개발을 계기로 광 자극과는 무관하게 실시간으로 뇌피질 전도 측정이 가능하게 됐다”고 말했다.
이현주 교수 연구팀의 서지원 박사와 김기업 박사과정생, 그리고 이정용 교수 연구팀의 서기원 박사과정생이 각각 주도하고 의과학대학원 이정호 교수와 김정욱 박사가 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'誌 7월 2일 字에 게재됐으며 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다. (논문명: Artifact-Free 2D Mapping of Neural Activity In Vivo through Transparent Gold Nanonetwork Array)
한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터 사업의 지원으로 수행됐다.
2020.07.15
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기존 인공지능 기술을 뛰어넘는 양자 인공지능 알고리즘 개발
우리 대학 전기및전자공학부 및 AI 양자컴퓨팅 IT 인력양성연구센터장 이준구 교수 연구팀이 독일 및 남아공 연구팀과의 협력 연구를 통해 비선형 양자 기계학습 인공지능 알고리즘을 개발했다고 7일 밝혔다.
양자 인공지능은 양자컴퓨터의 발전과 함께 현재의 인공지능을 앞설 것으로 크게 기대되고 있으나 연산 방법이 전혀 달라 새로운 양자 알고리즘의 개발이 절실하다. 특히 양자컴퓨터는 본질적으로 일차방정식을 잘 푸는 선형적 성질을 가지고 있어 복잡한 데이터를 다루는 비선형적 기계학습에 어려움이 존재했다. 하지만 이번 연구를 통해 비선형 커널이 고안되어 복잡한 데이터에 대한 양자 기계학습이 가능하게 됐다. 특히 이준구 교수팀이 개발한 양자 지도학습 알고리즘은 학습에 있어 매우 적은 계산량으로 연산이 가능하다. 따라서 대규모 계산량이 필요한 현재의 인공지능 기술을 추월할 가능성을 제시한 것으로 평가를 받고 있다.
이준구 교수팀은 학습데이터와 테스트데이터를 양자 정보로 생성한 후 양자 정보의 병렬연산을 가능하게 하는 양자포킹 기술과 간단한 양자 측정기술을 조합해 양자 데이터 간의 유사성을 효율적으로 계산하는 비선형 커널 기반의 지도학습을 구현하는 양자 알고리즘 체계를 만들었다. 이후 IBM 클라우드 서비스를 통해 실제 양자컴퓨터에서 양자 지도학습을 실제 시연하는 데 성공했다.
KAIST 박경덕 연구교수가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 네이처 자매지인 `npj Quantum Information' 誌 2020년 5월 6권에 게재됐다. (논문명: Quantum classifier with tailored quantum kernel).
기계학습에 있어 중요한 문제 중 하나는 주어진 데이터의 특징(feature)을 구분해 분류하는 것이다. 간단한 예로 동물 이미지 학습데이터에서 입, 귀 등의 특징을 바탕으로 분류하기 위한 결정 경계(decision boundary)를 학습하고 새로운 이미지가 입력되었을 때 개 또는 고양이로 분류하는 작업을 생각해볼 수 있다. 데이터의 특징들이 잘 나타나는 경우에는 선형적 결정 경계만으로 분류할 수 있다. 그러나 입과 귀 모양의 특징으로만 개와 고양이를 분류하기 쉽지 않다면 새로운 결정 경계를 찾기 위해 특징에 관한 정보 공간의 차원을 확장해야 하는데 이러한 과정에서 비선형 커널 기술이 필요하다.
양자컴퓨팅은 고전 컴퓨팅과는 달리 큐비트(quantum bit, 양자컴퓨팅 정보처리의 기본 단위)의 개수에 따라 정보 공간의 차원이 기하급수적으로 증가하기 때문에 이론적으로 고차원 정보처리에 있어 기하급수적으로 뛰어난 성능을 낼 수 있다.
연구팀은 이러한 양자컴퓨팅의 장점을 활용해 데이터 특징 대비 기하급수적인 계산 효율성을 달성하는 양자 기계학습 알고리즘을 개발했다. 이 교수 연구팀이 개발한 이 알고리즘은 저차원 입력 공간에 존재하는 데이터들을 큐비트로 표현되는 고차원 데이터 특징 공간(feature space)으로 옮긴 후, 양자화된 모든 학습데이터와 테스트데이터 간의 커널 함수를 양자 중첩을 활용해 동시에 계산하고 테스트데이터의 분류를 효율적으로 결정한다. 이때 사용되는 양자 회로의 계산 복잡도는 학습 데이터양에 대해서는 선형적으로 증가하나, 데이터 특징 개수에 대해서는 불과 로그(log)함수로 매우 천천히 증가하는 장점이 있다.
연구팀은 이와 함께 양자 회로의 체계적 설계를 통해 다양한 양자 커널 구현이 가능함을 이론적으로 증명했다. 커널 기반 기계학습에서는 주어진 입력 데이터에 따라 최적 커널이 달라질 수 있으므로, 다양한 양자 커널을 효율적으로 구현할 수 있게 된 점은 양자 커널 기반 기계학습의 실제 응용에 있어 매우 중요한 성과다.
연구팀은 IBM이 클라우드 서비스로 제공하는 다섯 개의 큐비트로 구성된 초전도 기반 양자 컴퓨터에서 이번에 개발에 성공한 양자 기계학습 알고리즘을 실험적으로 구현해 양자 커널 기반 기계학습의 성능을 실제 시연을 통해 이를 입증하는 데 성공했다.
이 연구에 참여한 박경덕 연구교수는 "연구팀이 개발한 커널 기반 양자 기계학습 알고리즘은 수년 안에 상용화될 것으로 예측되는 수백 큐비트의 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 컴퓨팅의 시대가 되면 기존의 고전 커널 기반 지도학습을 뛰어넘을 것ˮ이라면서 "복잡한 비선형 데이터의 패턴 인식 등을 위한 양자 기계학습 알고리즘으로 활발히 사용될 것ˮ이라고 말했다.
한편 이번 연구는 각각 한국연구재단의 창의 도전 연구기반 지원 사업과 한국연구재단의 한-아프리카 협력기반 조성 사업, 정보통신기획평가원의 정보통신기술인력 양성사업(ITRC)의 지원을 받아 수행됐다.
관련 논문: https://www.nature.com/articles/s41534-020-0272-6
2020.07.07
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