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성형진 교수, 마이크로스케일 액적 내 입자의 세정 및 집속기술 개발
우리 대학 기계공학과 성형진 석좌교수 연구팀(유동제어연구실)이 고주파수 표면탄성파 기반 음향방사현상을 이용해 마이크로스케일 액적 내 입자의 세정 및 집속 기술을 개발했다.
박진수 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스 분야의 국제학술지 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2018년 19호의 표지논문으로 선정됐다 (논문명: In-droplet microparticle washing and enrichment using surface acoustic wave-driven acoustic radiation force).
이는 같은 학술지 2016년 4호, 17호, 2017년 6호, 2018년 3호에 이은 다섯 번째 표지논문으로 미세유체역학 분야의 선도적 연구 성과이다.
동전 크기의 초소형 미세유체칩 내에 서로 섞이지 않는 두 유체로 조성된 마이크로스케일 액적을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체역학 분야에서 액적 내 입자, 세포, 생체분자 등의 샘플을 제어하기 위해 많은 노력이 기울여져 왔다.
하지만 지금까지 개발된 액적 내 샘플 세정 및 집속 기술은 복잡한 시스템이 요구되고 자성 혹은 극성을 띈 샘플만 제어할 수 있다는 한계를 지니고 있었다.
이번 연구에서 성 석좌교수 연구팀은 고주파수 표면탄성파를 이용해 마이크로스케일 액적과 액적 내 입자에 음향방사력을 인가해 입자의 위치를 음향장 내에 고정시켰다.
그리고 액적을 포획, 분할, 병합, 방출함으로써 액적 내 입자의 매개 용액을 교체하고 더 나아가 입자의 개체수를 원하는 수준까지 농축할 수 있음을 증명했다.
개발된 기술은 액적 내 입자를 비접촉·비표지 방식으로 세정할 수 있으며 액적 내 샘플의 개체수를 증가시킬 수 있는 기술이라는 점에서 기존보다 진일보했다는 평을 받았다.
아울러 음파와 탄성 고체 입자의 상호작용 이론을 바탕으로 표면탄성파의 주파수와 액적 내 입자 크기 사이의 관계를 규명해 효율적인 음향영동 현상 유발을 위한 조건을 제시했다.
박진수 박사과정은 “개발된 음향미세유체역학 기술을 통해 마이크로스케일 액적 내 샘플의 매개용액을 자유롭게 교체할 수 있음은 물론 액적 내 샘플을 원하는 수준으로 농축할 수 있다”고 말했다.
성형진 석좌교수는 “이 기술이 다양한 액적 기반 미세유체역학 시스템에서 액적 내 입자, 세포, 생체분자 등 다양한 샘플의 전처리를 위한 핵심 기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
성형진 석좌교수 연구팀은 그동안 광력과 음향력 기반의 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제학술지에 320여편의 논문을 게재한 바 있다.
특히 이번 연구는 올해 우리 대학에서 국내 최초로 시행된 초세대 협업연구실(헬스케어 음향미세유체 연구실)의 공동 연구 성과로, 헬스케어 음향미세유체 연구실은 기계공학과 성형진 석좌교수가 책임을 맡고 같은 학과 조연우 교수, 김형수 교수가 참여하고 있다.
이번 연구는 KAIST-KUSTAR, 한국연구재단의 창의연구지원사업과 글로벌박사펠로우십, 극지연구소, KAIST 초세대 협엽연구실(헬스케어 음향미세유체 연구실)의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 대표 이미지
그림2. 표지논문 이미지
2018.10.05 조회수 13734 -
유연 원격 내시경 수술로봇 K-FLEX로 동물실험 성공
〈이동호 박사과정, 네덜란드 라드바우드 대학 록사나 교수, 황민호 박사, 안정도 박사과정, 권동수 교수〉
우리 대학 기계공학과 미래의료로봇연구단(소장 권동수 교수)이 개발한 유연 원격 내시경수술로봇 ‘케이-플렉스(K-FLEX)’가 살아있는 동물의 담낭을 절개하는 수술에 성공했다.
지난 7월 17일 연구팀은 돼지를 통한 전 임상실험을 진행했다. 복강에 삽입된 유연 내시경 수술로봇을 이용해 담낭을 절개하는 실험이며 복강 내 로봇의 정밀 제어기술과 소형관절 설계기술이 핵심 기반기술이다.
이번 연구를 통해 전량을 수입에 의존하는 국내 연성 내시경 시장의 활로 개척과 더불어 암 치료 관련 사회적 비용의 축소 효과를 기대할 수 있을 것으로 전망된다.
연구팀의 케이-플렉스 로봇은 입이나 항문, 요도 등 우리 몸에 존재하는 통로를 따라 뱀처럼 유연하게 삽입돼 몸속을 자유롭게 관찰한다. 이상이 있는 경우 손가락처럼 생긴 초소형 로봇 팔이 나와 수술을 진행한다.
기존의 상용화된 수술 로봇은 곧은 수술도구를 이용하고 복부에 3~4개의 구멍을 내야 하는 문제점이 있는 반면 연구팀의 기술은 외부절개 없이 내부절개만으로 수술이 가능해 출혈량, 세균 감염, 합병증 등의 위험을 줄일 수 있다.
이러한 장점에도 불구하고 이 기술은 상용화가 활발하지 않다. 수술에 요구되는 기술의 난이도가 높고 필요조건들이 많기 때문이다. 로봇이 인체 내부의 굴곡진 부분으로 진입하기 위해 유연하면서도 큰 힘을 낼 수 있어야 하고, 기존 수술 로봇보다 더 많은 공간적 제약을 받는다.
연구팀은 위와 같은 유연성과 소형화 문제를 해결할 수 있는 강인한 소형 관절 기술을 개발했다. 핵심 연구원인 황민호 박사의 연구를 통해 초소형 로봇 팔이 낼 수 있는 힘을 두 배 이상 끌어올리는 동시에 크기도 절반으로 축소시켰다.
곧은 직선 형태의 수술 기술과 달리 유연 수술 로봇 기술은 전 세계적으로도 발전되지 않은 상황이다. 권 교수 연구팀은 내시경 모듈을 제외한 모든 부품과 소프트웨어를 순수 국내 기술을 통해 개발했다.
연구팀은 국립암센터 손대경 교수 연구팀의 협조를 통해 돼지 배의 표면에 만든 절개 부위에 다양한 방향과 각도로 휘어지는 유연 내시경 수술로봇을 삽입하고 병변이 위치한 간과 담낭으로 로봇을 접근시켰다.
이후 내시경의 채널을 통과한 직경 3.7mm의 소형 수술도구가 간을 젖히며 수술을 위한 시야 확보를 한 뒤 다른 채널을 통과한 전기 소작기를 이용해 간과 담낭 사이를 절제했다.
모든 수술 과정은 연구팀이 내시경의 앞부분에 설치한 카메라를 통해 송출된 돼지 신체 내부를 모니터링하며 원격 조종 장치를 통해 진행됐다.
한편 연구팀은 이 기술을 통해 지난 6월 29일 영국 런던 임페리얼 컬리지에서 열린 ‘서지컬 로봇 챌린지 2018(Surgical Robot Challenge 2018)’에서 수술로봇 강국들을 제치고 ‘베스트 어플리케이션 어워드’와 ‘오버롤 위너’상을 동시에 수상하기도 했다.
이번 연구를 총괄한 권동수 교수는 “이번 실험의 의미는 국내 최초로 유연한 내시경로봇을 살아있는 동물의 복강 내에서 이동시켜 병변에 접근시키고 수술을 진행함으로써 임상 적용의 가능성을 확인했다는 의미를 갖는다”고 말했다.
권 교수 연구팀은 이러한 핵심기술을 기반으로 2018년도 ‘이지엔도서지컬(EasyEndo Surgical Inc.)’이라는 수술로봇 회사를 설립했다. 권 교수를 비롯한 8명의 학생들이 공동 창업한 회사로, 케이-플렉스를 포함한 다양한 수술로봇을 개발하고 있다.
케이-플렉스 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 사진 설명
사진1. K-FLEX 시스템 전체 그림
2018.08.16 조회수 10607 -
김성용 교수, 빅 데이터 통해 아중규모 난류의 고유특성 규명
〈 김 성 용 교수 〉
우리 대학 기계공학과/인공지능연구소 김성용 교수 연구팀이 빅 데이터 분석을 통해 아중규모 난류의 고유한 특성과 원동력을 발견하는 데 성공했다.
이번 연구는 원격탐사장비인 연안레이더와 해색위성을 통해 관측된 해양 표층 대형자료의 빅 데이터 분석을 통해 수 킬로미터 및 수 시간 규모의 해양유체를 이해함으로써 전지구 및 지역 기후변화 예측모델의 개선에 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 환경유체 및 지구물리분야 국제 학술지인 ‘저널 오브 지오피지컬 리서치-오션스(Journal of Geophysical Research-Oceans)’ 8월 6일자에 두 편의 연계논문으로 게재됐다.
김 교수 연구팀의 유장곤, 이은애 석사가 각 논문의 1저자로 참여했고, 석사 연구 주제의 일부가 관련분야 최상위 학술지에 출간되는 성과를 달성했다.
2012년 美 항공우주국(NASA)은 ‘영원한 바다(Perpetual Ocean)’라는 위성을 이용한 해양관측 자료를 시각화한 프로젝트를 공개했다. 이는 2년 반에 걸친 바다 표면 흐름의 움직임에 대한 자료를 모아 제작된 것으로 그 모습이 마치 화가 빈센트 반 고흐의 ‘별이 빛나는 밤(The Starry Night)’속 하늘의 배경과 유사해 대중의 흥미를 끌었다.
이 ‘영원한 바다’는 중규모(100km 이상의 공간 규모) 수준의 난류운동을 기반으로 한 것으로 김 교수 연구팀은 중규모보다 더 작고 짧은 시공간 규모인 아중규모(1~100km 및 매 시간 규모)에서 해양 난류를 연구했다.
아중규모 난류는 지구물리유체 및 환경유체 분야에서 큰 관심을 받는 분야로 열과 밀도를 포함한 물리적 혼합 및 난류특성에 대한 연구 뿐 아니라 해양 영양분의 표층으로의 전달 및 적조와 엽록소의 번성 등 해양생물, 생태 및 환경 보존의 주요한 물리적 원인으로 주목받고 있다.
전 세계적으로 아중규모 해양 난류는 주로 컴퓨터를 이용한 수치 모델링 연구로 진행되고 있으나, 시공간으로 급격히 변하는 아중규모의 해양유체를 기존 장비 및 기술로 관측하기에는 어려움이 있어 제한적이고 간헐적인 현장 관측만 가능한 상황이다.
연구팀은 원격탐사장비인 연안레이더와 해색위성을 이용해 관측한 1년간의 해수유동장 및 5년간의 엽록소 농도장을 빅 데이터 분석해 해양난류의 고유한 특성을 입증했다.
연구팀은 해양난류 파수영역(wavenumber) 에서의 에너지 스펙트럼의 기울기 변화를 계절과 공간에 따른 변화 관점에서 분석했다.
이를 통해 아중규모 난류의 순방향과 역방향의 에너지 캐스케이드(energy cascade, 난류운동에서 큰 규모에서 작은 규모 또는 작은 규모에서 큰 규모로 에너지가 이동하는 현상)가 일어나고, 에너지가 투입되는 공간규모가 약 10 km이며 이는 경압불안정성(baroclinic instability, 수평방향으로 밀도 변화가 심할 때 중력장에서 불안정해져 이를 복원하기 위해 난류 현상이 발생하는 상태)에 의한 것임을 입증했다.
김 교수 연구팀의 연구결과는 해양물리, 대기 및 기후변화의 전 지구 고해상도 모델링 분야의 아중규모 물리현상의 모수화(参数化, parameterization)에 대한 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 아중규모의 원리를 이해함으로써 방사능, 기름유출과 같은 해양 오염물 추적 등 실제적이고 다양한 응용이 가능할 것으로 보인다.
또한 이번 연구는 우리나라 동해안 극전선의 가장자리에서 활발하게 생성되는 아중규모 소용돌이와 전선의 장기 관측자료를 이용한 것으로, 국내 연안 레이더 및 해색위성을 이용한 대형자료의 분석과 해양물리 및 물리생물의 상호작용 연구의 활성화에 기여할 것으로 예상된다.
이번 연구는 한국연구재단, 한국해양과학기술원 해양위성센터, 해양경찰청 연구센터의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 고흐의 별이 빛나는 밤과 NASA 가 제작한 영원한 바다 사진
그림2. 에너지 스펙트럼의 기울기 변화에 따른 에너지의 순방향 및 역방향 캐스케이드와 에너지가 투입되는 공간 규모를 보여주는 예
그림3. 동해에서 해색위성을 이용해 관측된 표층 엽록소 농도장에서 표현된 아중규모 난류 유동의 예
그림4. 임원지역 표층 해수유동장과 울릉도 남부지역 표층 클로로필 농도장
2018.08.13 조회수 12719 -
장대준 교수, 형상 조절 가능한 압력탱크 상용화 성공
〈 (주)래티스태크놀로지 박근오 사장, KAIST 유화롱 연구원, 장대준 교수 〉
우리 대학 기계공학과 장대준 교수와 폴 베르간(Pål G. Bergan) 교수(2009년~2015년 재직, 현재는 은퇴) 연구팀이 개발한 자유자재로 형상을 조절할 수 있는 격자형압력탱크 기술이 상용화에 성공해 울산항 청항선의 LNG 연료탱크(15m3, 9기압)에 적용됐다.
격자형압력탱크라 불리는 이 기술은 내부 격자구조를 통해 압력을 견디는 방식으로 기존의 실린더형이나 구형으로만 가능했던 압력용기 기술의 한계를 극복해 압력용기 설계의 새로운 표본을 제시할 것으로 보인다.
연구팀은 2011년에 원천 특허 출원 이후 2012년부터 포스코와 협업을 통해 상용화에 착수해 7개의 국제인증과 4개의 시험탱크를 성공적으로 제작 및 시험해 기술의 적용 가능성을 입증했다.
이 기술은 KAIST 기술창업 기업인 ㈜래티스테크놀로지에 이전돼 상용화가 추진됐고, 지난 25일 청항선의 LNG 연료탱크로 채택됐음을 확정했다.
연구팀의 기술은 친환경 선박의 LNG 및 액체수소(LH2) 연료 저장 탱크에 활용할 수 있다. 대형 선박 1척은 자동차 5천 대 분량의 배기 가스량을 분출한다.
자동차에 대한 강력한 배기가스 규제와 달리 대양을 운항하는 대형 선박은 그동안 배기가스 규제가 없어 저품질의 중질류를 연료로 사용해 황산화물, 질소 산화물, 미세먼지, 이산화탄소 등을 대량으로 배출해 왔다.
이에 UN 산하의 국제해사기구(IMO)는 대형 선박의 배기가스에 대한 규제를 매년 강화하고 있으며 특히 2020년까지 선박 연료의 황 함유량을 0.5%, 2025년까지 이산화탄소 배출량을 50% 감축하는 규제를 발표했다.
이러한 목표 달성을 위해서는 선박 연료가 LNG와 액체수소로 바뀌어야 하는데 이 연료를 저장하는 기술이 가장 큰 기술적 및 경제적 걸림돌이었다. 격자형압력탱크는 이러한 걸림돌을 제거할 이상적인 압력탱크기술로 인정받았고 이번 적용을 통해 상용화에도 성공했다.
기존의 구형 또는 실리콘형 압력 탱크는 풍선과 유사하게 압력 하중을 막응력(Membrane Stress)으로만 견디기 때문에 표면에 작은 결함들이 성장하면서 전체적으로 파괴되거나, 크기가 커지면서 표면 두께가 증가해 용접이 어려워져 대형화에 한계가 있었다.
특히 실린더 주위는 버려지는 공간이 돼 다수의 실린더를 사용할 경우 실질적 저장 공간이 절반 이하로 떨어지게 되는 공간 효율성 문제를 해결하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 격자구조를 내부에 적용해 기존 압력 용기와는 전혀 다른 설계 이론을 개발했다. 내부 압력을 받는 마주보는 두 면을 격자구조로 연결하고 용기 표면은 보강재를 사용해 굽힘 응력(Bending Stress)으로 압력을 견디게 했다. 또한 레고 블록 쌓듯이 규칙적인 격자구조를 반복적으로 사용해 단순하고 일관적인 방법으로 대형화를 가능하게 했다.
이러한 설계 구조는 여러 가지 장점을 갖는다. 구조적 다중성으로 안전도를 크게 높일 수 있고 탱크가 커져도 구조의 두께가 유지되며 최대의 공간 효율성을 보장한다. 그밖에도 격자 구조가 내부 유체의 움직임을 제한해 선박용 LNG 저장 탱크의 가장 큰 숙제인 슬로싱(sloshing, 탱크 내부의 유체의 움직임에 의한 하중) 현상과 피뢰파괴 위험을 획기적으로 낮췄다.
장 교수 연구팀과 ㈜래티스테크놀로지 기술팀은 경량화와 경제성을 중점에 두고 상용화 개발 연구를 수행했다. 내부 격자 구조가 너무 밀집되면 탱크는 가벼워지지만 제작이 어려워지고 경제성이 떨어진다.
반면 다수의 실린더를 단일 격자형 압력용기로 대체한다면 탱크 자체 경제성 뿐 아니라 배관, 전계장 등의 부수적 비용과 운용의 복잡성을 낮출 수 있다. 연구팀은 구조 및 생산 최적화를 통해 다수의 실린더를 단일 탱크로 대체하면서 중량과 비용은 감소시키는 격자형압력탱크를 개발했다.
장 교수는 “압력용기는 물질과 에너지를 저장하는 가장 기본적인 장치로 가정부터 산업까지 다양한 곳에 필요해 원하는 형상의 압력탱크인 격자형압력탱크의 응용 범위는 매우 넓다”며 “LNG 추진 선박용 연료 탱크 뿐 아니라 육상 산업 설비, 철도, 차량 등에 적용 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 포스코 산학공동연구 및 중소기업청 시장창출형 창조기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 격자형압력탱크의 내부 구조
그림2. 다양한 크기와 형상의 격자형압력탱크
그림3. 24제곱미터 실린더 탱크와 22제곱미터 격자형압력탱크 비교 사진
그림4. 6개의 실린더와 1개의 격자형압력탱크를 장착한 크루즈선
2018.05.30 조회수 13707 -
박인규, 정연식 교수, 모바일 기기 탑재 가능한 고성능 수소센서 개발
〈 가오민 연구원, 박인규 교수, 조민규 연구원 〉
우리 대학 기계공학과 박인규 교수, 신소재공학과 정연식 교수 공동 연구팀이 폴리스티렌(Polystyrene) 구슬의 자기 조립(self-assembly) 현상을 이용해 고성능의 실리콘 기반 수소센서를 개발했다.
연구팀이 개발한 수소 센서는 제작 과정이 단순하고 비용이 저렴해 모바일 기기에 탑재할 수 있어 전력 소모에 어려움을 겪는 모바일 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
가오 민(Gao Min) 연구원, 조민규 박사후 연구원, 한혁진 박사과정이 참여한 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 3월 8일자 표지논문에 선정됐다.
청정에너지인 수소 가스는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 현재도 냉각 시스템이나 석유 정제시설 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있지만 무색, 무취의 가연성 물질이기 때문에 조기 발견이 어려워 고성능 수소 센서를 개발하는 것이 중요하다.
그러나 기존 수소 센서들은 부피가 크고 소모 전력이 높으며 제작비용이 상대적으로 높은 단점이 있다.
공동 연구팀은 수백 나노미터 (nm) 직경의 폴리스틸렌 구슬들을 자기조립 현상을 이용해 규칙적으로 실리콘 기판 위에 배열시켰다. 이를 이용해 수십 나노미터 수준의 그물 모양 패턴을 구현해 초소형 고성능 수소 센서를 개발했다.
이 기술은 수소가스가 센서에 노출되면 팔라듐 나노입자와 반응해 팔라듐의 일함수(work function)가 변화하고 그에 따라 실리콘 나노 그물 내 전자의 공핍 영역(depletion region)의 크기가 변화하면서 전기 저항이 바뀌는 원리이다.
이번에 개발한 수소 센서는 최소 선폭 50 나노미터 (nm) 이하의 실리콘 나노 그물 구조 센서를 저비용으로 구현할 수 있다.
일반적으로 수소 센서의 성능은 민감도, 반응속도, 선택성 등에 따라 구분된다. 연구팀의 센서는 0.1%의 수소 농도에서 10%의 민감도와 5초의 반응속도를 기록해 기존 실리콘 기반 수소 센서보다 50% 이상 빠르고 10배 이상 높은 민감도를 보였다.
박인규 교수는 “기존의 값비싸고 복잡한 공정을 거치지 않고도, 단순한 방법으로 초미세 나노패턴 구현이 가능하며, 수소센서 뿐만 아니라 다양한 화학, 바이오센서에도 응용이 가능할 것이다”고 말했다.
과학기술정보통신부의 나노소재기술개발사업, 한국연구재단의 국민위해인자에 대응한 기체분자식별․분석기술개발사업, 해양수산부의 해양수산환경기술개발사업, KUSTAR-KAIST 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스몰(Small) 2018년 3월 8일자 Issue 표지논문
그림2. 완성된 수소센서의 일반 사진 (왼쪽), 전자현미경 사진 (중간, 오른쪽)
그림3. 수소 농도 변화에 따른 수소센서의 감지 그래프
2018.04.04 조회수 21201 -
김대수, 이필승 교수, 소유욕을 만드는 뇌 신경회로 발견
“시상하부의 특정 신경을 자극했더니 생쥐가 장난감에 엄청난 집착을 보였습니다. 물건을 가지려는 욕구를 만들어내는 신경으로서 유용한 자원을 탐색하고 소유하려는 욕구를 이해하는데 중요한 발견입니다 ”
사람과 동물은 다양한 사물을 탐색하고 획득하고자 하는 욕구가 있다. 생존을 위한 먹이나 유용한 물건 획득을 위해서다. 세계적으로 열풍이 불었던 포켓몬 고 같은 게임에서 아이템 획득하는데 몰입하는 것도 같은 원리이다. 인간에게 이러한 욕구는 경제활동을 비롯한 다양한 행동의 동기가 된다.
그러나 물건에 대한 욕구는 본능이기에 쉽게 조절할 수 없을뿐더러 잘못된 습관이나 질환으로 이어질 수 있다. 부족함이 없어 보이는 유명인들도 물건을 습관적으로 훔치다가 낭패를 보는 사례를 접하곤 한다. 또한 쓸모없는 물건을 집안에 모으고 버리지 못하는 수집 강박증이나 쇼핑 중독에 빠지는 경우도 있다. 물건에 대한 과도한 집착은 정신 질환의 일종으로 분류돼 있지만 그 원인에 대해서는 정확히 밝혀진 바가 없었다.
KAIST 생명과학과 김대수, 기계공학과 이필승 교수 연구팀은 전시각중추(MPA, Medial preoptic area)라 불리는 뇌의 시상하부 중 일부가 먹이를 획득 및 소유하려는 본능을 만들어낸다는 사실을 밝혔다. 또한 전시각중추 신경을 활용해 동물의 행동과 습관을 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀은 한 쥐에게는 장난감을 갖고 놀게 하고 다른 쥐는 따로 물체를 주지 않은 뒤 뇌를 분석했다. 이 과정에서 MPA(전시각중추) 신경회로가 활성화됨을 발견했다. 그 후 광유전학을 이용해 빛으로 MPA를 자극하자 물체 획득을 위해 실험체가 집착하는 이상행동을 보이는 것을 확인했다.
연구팀은 MPA신경이 수도관주위 회색질(PAG, Periaqueductal gray)로 흥분성 신호를 보내 행동을 만들어낸다는 사실을 규명해 연구팀은 이것을 MPA-PAG 신경회로라 이름 지었다.
김대수 교수는 “쥐가 먹이가 아닌 쓸데없는 물체에 반응하는 놀이행동의 의미를 찾기가 쉽지 않았습니다. MPA-PAG 회로를 자극했을 때 귀뚜라미 등의 먹잇감에 대한 사냥행동이 증가하는 것을 발견했습니다. 이것은 물체를 갖고 노는 것이 먹이 등의 유용한 사물을 획득하는 행동과 동일한 신경회로를 통해 나타남을 의미합니다”고 설명했다. 어린동물이 물체를 가지고 노는 것이 사냥 등 생존에 유용한 기술을 획득하는 것과 깊은 관련이 있다는 발견이다.
연구팀은 MPA가 물건에 대한 집착과 소유욕과 밀접한 관련이 있음을 밝혀낸 뒤 이를 조절하는 기술 개발에 착수했다. 생쥐 머리위에 물체를 장착해 눈앞에서 좌우로 움직일 수 있도록 무선으로 조종하고 MPA-PAG 신경회로를 자극해 생쥐가 눈앞에 물체를 따라가도록 한 것이다. 이것은 고등동물인 포유류의 행동을 원하는 방향으로 조종한 기술로 연구팀은 미다스(MIDAS)라고 명명하였다.
이필승 교수는 “미다스 기술은 동물의 탐색본능을 활용하여 동물 스스로 장애물을 극복하며 움직이는 일종의 자율주행 시스템입니다. 뇌-컴퓨터 접속 기술의 중요한 혁신으로 생각합니다. 앞으로 국내에서도 이러한 연구들이 많이 시도될 수 있도록 지원이 있었으면 좋겠습니다.”고 말했다.
이번 연구는 신경과학과 시스템 공학이라는 접점이 부족해 보이는 두 분야가 만나 적극적인 논의를 통해 매우 모범적인 융합 연구의 사례라는 의미를 갖는다. 생명과학 전공 박세근 박사는 전시각중추가 물건에 집착하는 회로라는 것을 밝혔고, 기계공학 전공인 김대건 박사는 컴퓨터 프로그래밍과 동물 무선제어에 큰 기여를 했다.
공동연구의 중간역할을 한 정용철 박사과정은“서로 용어 조차 다른 신경 과학과 시스템 제어 공학이라는 전혀 다른 두 분야를 서로가 완벽히 이해해야만 했고, 이를 위해 팀원들과 함께 끊임없이 논의하고 연구했습니다. 그 시간이 가장 재미있는 과정이자 가장 큰 과제였습니다.
김 교수는 신경 회로 기능의 중요성을 다시 한 번 실감했을 뿐 아니라 우리 사회에 큰 영향을 끼칠 수 있을 것이라고 의의를 밝혔다.
“수집 강박, 도벽, 게임중독 등을 치료할 수 있는 단서를 제공했다고 생각합니다. 이러한 지식을 통해 만들어진 뇌-컴퓨터 접속기술은 국방, 재난 구조 등에 활용될 것입니다.”
□ 그림 설명
그림1. 소유욕을 이용해 포유동물 행동을 조절하는 MIDAS 시스템 모식도
그림2. 전시각 중추 신경회로가 소유행동을 나타내는 모식도
2018.03.15 조회수 14443 -
성형진 교수, 미세유체 칩 내 액적 부피 제어 기술 개발
우리 대학 기계공학과 성형진 교수 연구팀(유동제어연구실)이 고주파수의 음향방사현상을 이용해 미세유체 칩 내 액적의 부피를 정교하게 제어하는 기술을 개발했다.
초소형 미세유체 칩 내에서 극미량의 유체 샘플을 이용해 복잡한 반응 및 실험을 수행하기 위해서는 정교한 미세유체역학기술이 요구된다. 특히 서로 섞이지 않는 두 유체로 구성된 미세액적을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체역학 분야에서 액적의 부피를 정교하게 제어하기 위한 액적 분할 기술의 개발을 위해 많은 노력이 있었다.
하지만 지금까지 개발된 미세액적 분할 기술은 정교한 액적 부피 제어가 어렵고 복잡한 시스템이 요구되며 제한된 유체 샘플에만 적용 가능하고 병렬 조작이 어려운 한계를 지니고 있었다.
이번 연구에서 연구팀은 고주파수 음파를 이용해 미세유체 칩 내 움직이는 미세액적에 국소적으로 음향 방사력을 인가해 원하는 크기로 액적을 분할할 수 있음을 보였다.
개발된 음향방사현상 기반 액적 분할 기술은 액적 내 샘플에 물리적 손상을 가하지 않으면서도 비접촉식으로 표지 없이 액적을 정교하게 분할할 수 있다는 점에서 기존 기술 보다 진일보한 기술이라는 평가를 받았다.
아울러 기존의 액적 분할 기술들이 외력과 액적 이동 방향이 수직을 이루는 직교 배열을 차용하고 있는 것과 달리 두 방향이 나란한 평행 배열을 채택하여 병렬 조작이 가능하다.
또한 기존 기술과 달리 미세유체 칩과 외력 생성을 위한 기판의 비가역적 결합이 필요하지 않아 미세유체 칩을 손쉽게 교체할 수 있다는 특징을 지녀 기존 기술보다 상용화 유리한 기술이다.
박진수 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 국제학술지 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2018년 3호의 표지논문으로 선정됐다.
박진수 박사과정은 “본 연구에서 개발된 기술을 통해 미세액적에 국소적으로 음향방사력을 가해 미세유체칩 내 움직이는 미세액적을 원하는 크기로 정교하게 분할할 수 있다”고 말했다.
성형진 교수는 “본 연구에서 개발된 기술이 액적 기반 미세유체역학을 활용한 제약, 생화학, 물질합성, 의학, 생명공학 연구 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST-KUSTAR, 한국연구재단의 창의연구지원사업과 글로벌박사펠로우십, 극지연구소의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 랩온어칩 표지논문
2018.03.02 조회수 13663 -
오일권 교수, 그래핀 기반의 소프트 액추에이터 개발
〈 타바시안 라솔 박사과정, 오 일 권 교수 〉
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 두 개의 서로 상반된 그래핀 구조체를 전극으로 사용해 소프트 액추에이터(작동장치)의 성능을 높이는데 성공하였다.
연구팀이 이번 연구를 통해 제작한 액추에이터는 웨어러블 전자기기, 소프트 로봇 등의 분야에서 사용 가능할 것으로 기대된다.
타바시안 라솔(Tabassian Rassoul) 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 온라인 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 1월 31일자에 게재됐으며 표지논문에 선정됐다.
차세대 전자기기에 능동형 소프트 액추에이터를 적용하기 위해서는 액추에이터의 전극이 유연성, 높은 전기 전도성 및 전기 화학적 활성, 내구성 등을 갖는 동시에 높은 효율성을 가져야 한다.
하지만 기존의 소프트 액추에이터는 백금 또는 금 등의 고가 귀금속이 사용됐기 때문에 실제 적용이 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기능적인 길항성(두 요인이 동시에 작용해 서로의 효과를 상쇄시키는 성질)을 갖는 각기 다른 두 종류의 그래핀 전극을 동시에 사용했다.
연구팀은 전기전도성은 매우 좋지만 전기화학적 활성이 낮은 그래핀 그물망의 단점을 보완하기 위해 질소가 증착된 구겨진 그래핀 입자들을 추가로 적용했다. 그물망 그래핀 메쉬(mesh)와 질소가 증착된 구겨진 그래핀을 결합해 전기화학적으로 기능적 길항성을 갖는 하이브리드 전극을 제작해 소프트 액추에이터에 적용했다.
연구팀이 합성한 그래핀 메쉬 구조는 그래핀 튜브들이 서로 엮인 그물망 형태의 구조를 갖는다. 특히 그물망 구조의 물결 모양 패턴 덕분에 다른 유형의 그래핀 구조보다 우수한 신축성을 갖는다.
또한 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD) 방법으로 합성하기 때문에 높은 전기 전도도를 갖는 고품질 그래핀 그물망을 제작할 수 있다.
이 하이브리드 전극에서 그래핀 그물망은 신속하고 균일한 전하 분포 촉진, 질소가 증착된 구겨진 그래핀은 전하를 효율적으로 저장하는 서로 상반된 역할을 각각 수행한다. 이를 통해 재료의 비용적 단점을 보완함과 동시에 전극의 성능 요건을 충족했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 제작된 액추에이터는 햅틱 피드백 시스템, 웨어러블 핼스케어 전자기기, 능동촉각 시스템, VR 및 AR용 능동형 디스플레이, 소프트 로봇 등의 분야에서 사용 가능할 것으로 기대된다.
오 교수는 “이번 연구결과를 통해 소프트 액추에이터의 성능향상 원리를 이해하는 기반 연구가 될 것이다”며 “차세대 유연 전자산업에서의 소프트 액추에이터 기술 활용이 가속화되는 계기가 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 커버 이미지
그림2. 기능적 길항성을 갖는 그래핀 구조 전극 사진 및 소프트 액추에이터 개요
2018.02.07 조회수 12739 -
김정원 교수, 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기 개발
우리 대학 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용해 X-밴드 레이더에 활용할 수 있는 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다.
이번 기술은 레이더 뿐 아니라 통신, 센서, 정밀계측 등 다양한 분야에서 활용 가능하고 기술이전을 통한 국산화도 가능할 것으로 기대된다.
권도현 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’ 2018년도 1월호에 게재됐다.
레이더는 자율주행 자동차, 기상관측, 천문연구, 항공관제, 군용탐지 등 민간 및 군용 분야에서 다양하게 활용된다.
고성능 레이더 내에서의 속도 탐지 및 이미지 분해능 개선, 통신 및 신호처리 능력 향상을 위해서는 레이더 송신신호의 위상잡음(phase noise)을 낮추는 것이 필수적이다. 또한 우수한 주파수 스위칭과 변조 성능 역시 레이더 신호원의 중요한 요구 조건이다.
하지만 위상잡음이 낮은 마이크로파 주파수 합성기는 고가일 뿐더러 수출승인(EL) 품목으로 자국 밖 수출이 금지되거나 특별 허가를 받아야 하는 경우가 많다.
김 교수 연구팀은 고가의 재료나 실험실 밖 환경에서 사용이 어려운 기술 없이도 부품의 신뢰성과 가격경쟁력이 확보된 광섬유광학 기술과 상용 디지털신디사이저(DDS) 부품만을 이용했다. 이를 통해 매우 우수한 위상잡음 수준을 가지며 주파수 스위칭 및 다양한 변조가 가능한 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다.
이 주파수 합성기는 광섬유 레이저 기술을 이용해 펄스(pulse) 형태의 빛을 생성한다. 이 때 빛 펄스 간의 시간 간격을 매우 일정하게 만들어 1초 동안 1 펨토초(1천조분의 1초)라는 아주 작은 시간의 오차를 갖는 빛 펄스들을 생성했다.
그리고 이 빛 펄스들을 전기 신호로 변환하는데 이 때 펄스 간 시간 간격에 의해 정해지는 반복률(repetition-rate)의 정수배에 해당하는 임의의 사인파(sinusoidal) 형태의 전기 신호를 생성할 수 있다.
이번 연구에서는 여러 가능한 주파수 대역들 중에서 최근 이슈가 된 사드(THAAD) 레이더를 비롯한 고성능 레이더와 우주 통신 분야에서 그 중요성이 커지는 X-밴드(8-12 GHz) 마이크로파 주파수 대역에서 동작하는 주파수 합성기를 구현했다.
이번 기술은 기존의 최고 성능 오븐제어 수정발진기(OCXO) 기반 주파수 합성기들의 위상잡음보다 월등하게 우수한 성능을 보였다. 또한 전자전(electronic warfare) 및 레이더 시스템에서 중요하게 여겨지는 빠른 주파수 변환 속도와 다양한 주파수 변조 기능 역시 가능함을 선보였다.
이 시스템의 또 다른 장점은 기존 마이크로파 주파수 합성기와 달리 매우 낮은 잡음의 광신호 또한 함께 생성할 수 있다는 것이다. 이러한 저잡음 광신호를 이용하면 레이더 수신기에서 이전에는 없던 새로운 신호 분석 기능도 제공할 수 있다.
김 교수는 “이 연구에서는 X-밴드 신호원을 선보였지만 같은 원리를 활용해서 보다 고주파 대역의 초저잡음 신호도 생성할 수 있다”며 “드론처럼 소형, 저속 물체들에 대한 민감한 탐지에도 활용 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 광섬유광학 기반 X-밴드 레이더 신호원의 개념도
그림2. 10-GHz에서의 위상잡음 측정 결과와 기존의 최고성능 주파수 합성기들과의 성능 비교
2018.01.18 조회수 15205 -
양민양 교수, 고성능 필름형 차세대 전지 개발
〈 이 재 학 박사과정, 양 민 양 교수 〉
우리 대학 기계공학과 양민양 교수 연구팀이 고성능의 필름형 차세대 전지(슈퍼커패시터)를 저렴하고 간단한 방법으로 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 기존의 복잡한 제작과정과 낮은 성능 등의 단점을 갖는 필름형 슈퍼커패시터를 대체할 수 있는 기술을 개발했다. 이는 새로운 고성능 소자구조를 단일공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료 및 소자 제조 원천기술이다.
이재학 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료, 화학분야의 국제 학술지 영국왕립화학회의 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’ 12월 21일자 표지논문에 선정됐다.
슈퍼커패시터는 기존의 리튬이온배터리와 비교해 월등하게 빠른 충전 속도와 반영구적 수명을 가져 차세대 에너지 저장소자로 각광받고 있다.
무엇보다 유연한 기판에 제조되는 필름형 슈퍼커패시터는 웨어러블 및 유연 전자소자의 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있기 때문에 차세대 유연 전자소자의 핵심 전력소자이다.
기존에는 유연한 필름 위에 높은 표면적의 금속 전극을 형성하기 위해 포토리소그래피, 진공증착 등의 반도체 공정을 이용했다. 또한 금속전극의 표면적 향상을 위해 추가적으로 고가의 설비와 2단계의 유독한 화학 공정이 필요했다.
연구팀은 보다 빠르고 저렴하며 간단한 방법인 레이저 성장 소결 공정 기술을 개발했다. 이는 나노미터 단위의 기공을 갖는 초다공성 은(銀) 전극을 제조하는 기술로 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는 데 성공했다.
레이저만을 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에 내부에 다공성 나노구조를 생성해 10단계 이상 소요되던 세부 제조 과정을 1단계로 간소화했다.
연구팀은 기존 금속 나노 용액과 비교해 매우 저렴한 무입자 유기금속이온 화합물 용액을 사용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결 원리를 규명했다.
연구팀은 일반적인 단일물질 대칭구조의 슈퍼커패시터 전극과 달리 이종(異種)의 금속산화물(이산화망간과 산화철)을 각각 양극과 음극으로 비대칭 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다.
이를 통해 전력 보유량을 극대화해 고용량 에너지 저장소자를 개발했고, 4초 내 초고속 충전이 가능하고 5천 번 이상의 내구성 테스트에서 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.
양 교수는 “이번 연구 결과는 향후 웨어러블 및 유연 전자기기 기판에 포함돼 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소자로 사용 가능하다”며 “전원까지 포함하는 진정한 의미의 완전한 유연 전자기기의 현실화에 더 가까워졌다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 표지 이미지
그림2. 제조된 필름형 슈퍼커패시터와 그 성능
그림3. 레이저 성장 소결 메카니즘
그림4. 레이저 조사조건에 따른 은 전극 형상 변화
2018.01.11 조회수 14912 -
김형수 교수, 물과 알코올의 마랑고니 효과 정량화에 성공
〈 김 형 수 교수 〉
우리 대학 기계공학과 김형수 교수 연구팀이 알코올과 물이 만날 때 발생하는 마랑고니 효과의 현상을 정량화하는 데 성공했다.
이 기술을 통해 계면활성제의 광범위한 사용을 억제하거나 유체 표면의 불순물들을 효과적으로 제거할 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 미국 프린스턴 대학의 하워드 스톤(Howard Stone) 교수와 공동으로 진행됐고 국제 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 7월 31자 온라인 판에 게재됐다.
마랑고니 효과는 계면을 따라 표면장력의 크기가 일정하지 않을 때 발생하는 현상을 말한다. 흔히 알려진 와인의 눈물 현상이 대표적인 마랑고니 효과이다.
물과 알코올처럼 서로 100% 섞이는 액체들은 만나는 즉시 혼합과 퍼짐이 동시에 이뤄지는 것처럼 보이지만 사실은 그렇지 않다. 실제 물의 표면장력은 알코올보다 3배 정도 큰데 이 표면장력 차이 때문에 두 액체가 닿는 순간 계면에서 마랑고니 효과가 발생한다. 이후 혼합이 일어나기까지는 일정 시간이 소요된다.
이와 같은 현상은 20세기 초반에 보고된 후 많은 논의가 됐지만 복잡한 물리화학적 혼합 현상을 정량화하는 데 한계가 있었다.
김 교수는 광학의 특성을 이용한 다양한 유동장 가시화(Flow visualization) 기법과 초고속 이미징 장비를 이용해 실험을 수행했다.
유동장 가시화는 물과 같은 투명한 액체가 얼마나 빠르게 흐르는지 파악하기 위해 입자를 띄워서 이들을 추적하거나 액체의 밀도차이 변화를 광학적 기법을 이용해 감지한 후 촬영하는 방식이다.
이를 통해 물과 알코올 사이에 발생하는 복잡한 물리화학적 현상의 정량화에 성공했고 이를 토대로 실험 결과를 예측하는 이론 모델도 개발했다.
이론 모델을 이용해 마랑고니 대류 유동 속도의 세기와 알코올 액적의 퍼지는 넓이, 유동장이 발달되는데 소요되는 시간을 예측할 수 있다. 이를 통해 실제 적용 상황과 조건에 맞춰 마랑고니 효과 유발 물질(알코올)의 종류와 액적의 크기를 설계할 수 있다.
연구팀은 이번 성과가 유체 계면을 2차 오염시키지 않고 계면에 따라 원하는 물질을 높은 효율로 쉽게 전달하거나 유체 표면의 불순물들을 효과적으로 제거할 수 있는 원천기술이 될 것으로 예상했다.
무엇보다 이번 연구 결과는 약물 전달을 위해 사용되는 계면활성제를 알코올이 대체할 수 있는 가능성을 보였다는 의의가 있다. 체내에 축적되는 특성을 갖는 계면활성제를 대체할 수 있다면 여러 부작용을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
김 교수는 “약물전달을 위해 계면활성제를 사용하는데 체내에 흡수되면 배출이 어려워 축적이 되고 천식환자에게 심장질환을 유발하는 등 여러 부작용이 발생한다.”며 “알코올과 같은 새로운 약물전달 물질을 사용해 이러한 부작용으로부터 자유로워지길 기대한다”고 말했다.
□ 사진 설명
사진1. 알콜 액적이 물 계면에 닿을 때 발생하는 마랑고니 유동(Marangoni flows)
사진2. 아지랑이(Schlieren) 가시화 기법을 이용한 알콜 종류에 따른 혼합 유동 비교 (왼쪽 메타놀, 오른쪽 아이소프로필 알코올)
사진3. 알콜 액적이 물 계면에 닿을 때 발생하는 마랑고니 혼합 유동(Marangoni mixing flow)의 측면 가시화 결과
2017.08.17 조회수 18350 -
성형진 교수, 미세유체칩 내 액적 위치 제어 기술 개발
우리 대학 기계공학과 성형진 교수 연구팀(유동제어연구실)이 열모세관 현상을 이용해 미세유체칩 내 액적의 위치를 정교하게 제어하는 기술을 개발했다.
박진수 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 미세유체기술 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 국제학술지인 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2017년 6호의 표지논문으로 선정됐다.
(논문명: Acoustothermal tweezer for droplet sorting in a disposable microfluidic chip)
극소량의 유체 샘플을 이용해 동전만한 크기의 미세유체칩 내에서 복잡한 실험을 수행하기 위해서는 정교한 미세유체 기술이 필요하다.
특히 서로 섞이지 않는 두 유체로 구성된 액적을 기반으로 하는 미세유체역학 분야에서 액적의 위치를 정교하게 제어할 수 있는 기술이 필수적이다.
하지만 기존의 액적위치 제어기술은 한 쪽 방향으로만 제어할 수 있거나 마이크로 크기 수준에서는 정교하게 제어하지 못했다.
연구팀은 독자적으로 개발한 음향열적가열법을 통해 마이크로 수준의 동적 온도구배를 형성했고 이를 통해 미세유체칩 내에서 액적의 위치를 마이크로 크기 수준에서 정교하게 제어했다.
궁극적으로는 원하는 배출 유로로 액적을 분리할 수 있음을 증명했다.
성형진 교수 연구팀은 그동안 광력과 음향력 기반의 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제 학술지에 300여 편의 논문을 게재한 바 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 창의연구지원사업, 글로벌박사펠로우십과 KAIST-KUSTAR의 지원으로 수행됐다.
박진수 박사과정은 “본 연구에서 개발된 기술은 액적의 양쪽에서 서로 반대방향으로 작용해 균형을 이루는 열모세관 힘을 이용해 액적의 위치를 마이크로스케일에서 정교하게 제어할 수 있다”고 말했다.
성 교수는 “본 연구에서 개발된 기술이 액적 기반 미세유체칩 내 생화학반응, 제약, 물질 합성 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 랩온어칩 표지
2017.03.20 조회수 17053