Research

물의 특성 손쉽게 파악하는 초저가 플랫폼 만들었다

* 사진 설명: 김동성 교수, 학사과정 이동현씨, 박사과정 최동휘씨(좌로부터) POSTECH 연구팀이 물이 지나간 자리에 저절로 형성되는 알짜 전하*1를 이용하여 물의 여러 가지 특성에 대해 정밀하게 평가하고, 물속 미세한 기포까지 찾아낼 수 있는 플랫폼을 제작해 학계에 관심을 끌고 있다. 기계공학과 김동성 교수, 박사과정 최동휘씨, 학사과정 이동현씨 연구팀은 물과 같은 액체가 고체 표면 위를 지나갈 때 표면대전현상*2에 의해 알짜 전하가 형성된다는 점에 착안하여, 물의 특성뿐만 아니라 물 속 미세기포의 존재 유무까지 파악할 수 있는 플랫폼을 개발하고, 관련 연구 성과를 네이처 자매지인 사이언티픽리포트(Scientific Reports) 온라인 판을 통해 최근 발표했다. 특히, 이번 연구 성과는 기계공학과 4학년에 재학 중인 이동현씨가 공동 제1저자로서 김동성 교수와 최동휘씨의 지도를 받아 실험 설계 및 진행, 샘플 제작, 논문 작성 등 연구 전반을 수행하고, 세계적 저널에 논문을 게재하는 성과를 거뒀다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구팀은 생성된 알짜 전하의 크기를 정량적으로 분석한 결과, 물의 여러 가지 특성이 전하의 크기에 상당한 영향을 준다는 사실을 확인했다. 특히 연구팀은 이와 같은 특성들을 동시다발적으로 평가할 수 있다는 점에 주목했다. 즉, 형성된 알짜 전하는 물의 산성도 및 전해질 농도 등의 특성들에 따라 크기가 변하는 것이다. 특히, 이번에 제작된 물 특성 평가 플랫폼은 매우 적은 양의 물도 분석 가능하고, 구현이 매우 간단하며, 정확도가 높기 때문에 저비용, 고효율의 장점을 지니고 있다. 연구팀은 이 기술을 이용하여 물속에 존재하는 미세기포의 수를 집계할 수 있는 자가발전 구동 미세기포 집계센서까지 개발했다. 연구를 주도한 김동성 교수는 “이 기술을 응용하면 매우 적은 양의 물을 이용하여 물의 특성을 파악하는 것이 가능하다”며 “특히, 자가발전으로 구동이 가능하다는 점은 실용성이 높아 실질적인 응용 가능성을 보여줬다는 점에서 의미가 남다르다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 한국연구재단의 중견연구자지원사업(도약연구)과 선도연구센터육성사업(ERC) 및 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다. [용어설명] 1. 알짜 전하(net charge) 전하는 물체를 구성하는 기본 입자들의 고유한 특성이다. 대부분 전하에는 양전하와 음전하가 같은 양으로 들어 있으므로 전기적 중성을 띠고 있다. 즉 알짜 전하가 없다고 한다. 여기서 전기적인 균형이 깨지면서 대전이 된다고 하는데, 양전하와 음전하가 함께 모여 있으면 밖에서 볼 때는 둘을 더하고 남은 알짜 전하만 있는 것처럼 보인다. 이것을 알짜 전하라고 부른다. 2. 표면대전현상 (表面帶電現象, electrification) 두 가지 상이한 물질이 접촉한 후 분리되며, 각각의 표면에 양전하 또는 음전하가 생성되는 현상, 즉 전기를 띠는 현상. [그림설명] 자발적으로 형성되는 알짜 전하를 통해 구동되는 자가발전 구동 미세기포 계수 센서

김윤호 교수 연구팀, 양자얽힘 손실 없이 재분배하는 기법 시현

* 사진설명: 김윤호 교수, 임향택 박사, 홍강희 씨(좌로부터) 양자통신*1, 양자컴퓨터*2와 같은 양자정보기술은 아직 초기단계이지만, 현대 정보사회의 패러다임을 바꿀 수 있는 가능성이 큰 신기술이다. 이 양자정보기술이 다양한 영역에서 응용되기 위해서는 양자얽힘*3 현상 유지가 중요하다. 그러나 양자 상태는 주변 환경과 끊임없이 상호작용 하고 있어, 먼 거리에 있는 두 곳 끼리 양자얽힘을 전송하는 과정에서 결맞음 특성이 보호되지 못하고 결어긋남*4 현상으로 양자얽힘이 일부 소실되는 문제가 발생한다. 따라서 양자얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 것은 양자 기술을 구현함에 있어 관련 학계의 오랜 난제로 남아 있었다. 물리학과 김윤호 교수, 통합과정 홍강희씨, 스위스 취리히 공대 임향택 박사 연구팀이 큐비트*5 변환을 이용하여 결어긋남 현상으로부터 양자얽힘을 손실 없이 분배하는 방법을 실험을 통해 구현하고, 관련 연구 성과를 네이처 자매지인 사이언티픽리포트(Scientific Reports)를 통해 발표했다. 양자얽힘 감소 및 사라짐을 막을 뿐만 아니라 효율적으로 분배까지 가능한 방법을 찾아낸 것은 이번이 처음으로, 기존 양자얽힘 보호방법의 한계를 뛰어넘은 기술로 평가된다. 양자얽힘을 보호하는 기존 방법들은 양자 상태에 대한 초기 정보를 알고 있어야 하거나 결어긋남 현상이 특정한 대칭성을 가져야 하고, 때로는 보조 큐비트를 요구하는 등 조건이 까다롭다. 그러나 연구팀이 제안한 이 방법은 초기 상태와 무관하게 적용 가능하며, 추가 큐비트나 양자 상태에 대한 대칭성도 필요 없을 뿐만 아니라, 거의 완벽에 가까운 성공 확률을 나타냈다. 연구팀은 초기 큐비트 상태를 결어긋남 현상을 겪지 않는 다른 큐비트 상태로 변환하면 결어긋남 현상을 효과적으로 우회할 수 있다는 사실에 주목했다. 특히, 연구팀은 결어긋남 현상에 직접 대항하지 않고, 결어긋남 현상이 특정한 큐비트에만 작용한다는 점을 이용했다. 큐비트의 정보를 결어긋남을 겪지 않는 다른 큐비트에 인코딩했다가, 결어긋남을 피한 후에 다시 원래의 큐비트로 인코딩을 변환함으로서 손실 없이 양자얽힘을 분배할 수 있음을 실험을 통해 입증했다. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “이 기술을 이용하면 원거리 양자 통신을 실제 구현할 때 양자얽힘을 분배하는 방안으로 사용될 수 있을 것”이라며 “양자정보기술 개발의 걸림돌로 알려진 결어긋남 현상으로부터 양자얽힘을 보호하고, 손실 없이 효과적으로 분배하는 새로운 방법을 발견하여, 양자정보기술 발전에 새로운 기반을 마련했다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원 사업(도약과제)의 지원을 받아 수행됐다. [용어설명] 1. 양자통신 정보를 빛의 기본입자인 광자의 양자 상태에 실어 전달하는 새로운 방식의 통신으로, 양자역학적 특성으로 빠른 속도, 정확한 정보전달 등 기존의 통신에 비해 많은 장점이 있다. 2. 양자컴퓨터 기존의 컴퓨터와 달리 한 개의 처리장치로부터 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리량과 속도가 종전의 컴퓨터에 비해 월등히 앞선 미래형 최첨단 컴퓨터다. 3. 양자얽힘(Quantum entanglement) 여러 양자계 사이에 존재하는 특별한 상관관계를 의미하며, 양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 구현에 반드시 필요하다. 4. 결어긋남(Decoherence) 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결맞음이 완전히 없어진 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없다. 5 큐비트(Qubit) 양자 비트, 혹은 큐비트(qubit)는 양자 정보의 단위다. 큐비트는 고전적인 정보 단위인 비트의 양자 역학 판으로 볼 수 있다. [그림설명] (a) 양자얽힘 분배 과정에서 편광얽힘 상태가 결어긋남 현상을 겪게 되면 양자얽힘이 줄어들거나 또는 완전히 사라지게 된다. (b) 큐비트 변환을 이용한 양자얽힘 분배 방법을 사용하여 양자상태가 결어긋남 현상을 겪기 전에 양자얽힘 상태의 인코딩을 편광 큐비트에서 경로 큐비트로 바꿔 주면, 경로 큐비트는 편광 큐비트에 대한 결어긋남 현상을 겪지 않으므로 결어긋남 현상 없이 양자얽힘이 전달될 수 있다. 결어긋남이 발생하는 지역을 통과한 후 다시 경로 큐비트로부터 편광 큐비트로 인코딩을 바꾸어 주면 초기의 편광얽힘 상태를 완전하게 분배할 수 있다.

김대진 교수 연구팀, ‘3D 신체 관철 정밀 추적기술’로 구현

POSTECH이 누구나 손쉽게 가정에서 유명 가수의 춤을 따라 할 수 있는 ‘가상 춤 선생’ 기술을 개발해 대중들의 비상한 관심을 끌고 있다. 지능형 미디어 연구실 김대진 교수 연구팀은 3D 신체관절 정밀 추적 기술을 기반으로 누구나 손쉽게 각 가정에서 유명 가수의 춤을 배울 수 있는 K팝 춤 선생 기술을 개발하고, 관련 기술 논문을 영상 처리 관련 국제 학술대회 ICIP 2015(IEEE International Conference on Image Processing 2015)를 통해 발표했다. 우선, 연구팀은 수년 동안의 방대한 학습 데이터와 관절 간의 상호 관계를 이용하여 3D 신체 관절 정밀 추적 기술을 개발하는데 성공했다. 이 기술은 관절 15개의 3차원 공간상에서 위치 추적 능력이 오차 범위 평균 4.5cm 내로 매우 정확하게 인식할 수 있다. 이렇게 개발한 3D 신체 관절 정밀 추적 기술을 K팝 춤 선생 기술로 응용하기 위해, 연구팀은 미리 선곡된 가요 100곡에 대해 안무 전문가를 통해 정확한 동작을 수집했다. 이를 통해 전문가의 동작과 춤 학습자의 동작을 비교 분석하여 전체 춤 동작이 얼마나 정확한지 짚어낼 수 있다. 특히 이번에 학회에서 발표된 논문 1098건 중, POSTECH 연구팀의 논문이 상위 10% 논문으로 선정되어 ‘베스트 텐 페이퍼(Best 10% Paper)’ 상을 수상하며 보유 기술의 우수성을 인정받기도 했다. 연구를 주도한 김대진 교수는 “각 신체 부위가 정확한 동작을 취할수록 밝은 색(흰색)으로, 그렇지 못할수록 어두운 색(검은색)으로 표시되는 등 일반인들이 K팝 댄스를 손쉽게 배우기 적합한 기술”이라며 “춤 동작을 개별적으로 분석하여 실시간으로 정확한 개선 포인트도 모니터링 할 수 있다”고 말했다. [그림설명] 춤 선생 동작(좌) 및 학습자 동작(우) 비교 영상. 오른쪽 학습자 경우, 각 신체 부위가 정확한 동작을 취할수록 밝은 색(흰색)으로, 그렇지 못할수록 어두운 색 (검은색)으로 표시된다.

조길원 교수 연구팀, ‘나노복합박막’으로 효율 최대 4배 높여

널뛰는 유기태양전지 성능 확 끌어올릴 새 범용 구조 제시 차세대 에너지소자로 주목받고 있는 ‘유기태양전지’는 그 가능성이 무궁무진하지만 다루기 어려운 물질 중 하나다. 유기태양전지에 사용되는 반도체 고분자는 물질마다 고유의 전기적․광학적 특성이 달라, 생성된 광전류를 손실 없이 얻기 위해서는 최적화 과정을 통해 매번 새로운 소자 구조를 개발해야 하는 부담이 있기 때문이다. POSTECH 연구팀이 유기태양전지에 사용된 고분자 반도체 물질의 종류와 관계없이 광전환 효율*1을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새 구조를 개발해 관련 학계에서 비상한 관심을 끌고 있다. 화학공학과 조길원 교수, 조새벽 박사 연구팀은 유기태양전지가 빛을 받아 생성한 전류는 미세한 전기장의 변화에 민감하게 반응한다는 점을 응용하여 유기태양전지 효율을 끌어올릴 수 있는 기술을 개발하고, 관련 논문을 재료과학분야 권위지 '어드밴스드에너지머티리얼스(Advanced Energy Materials)' 9일자 표지논문으로 발표했다. 특히, 이번 연구 성과는 유기태양전지에 사용된 다양한 반도체 고분자마다 새로운 소자구조가 필요하다는 단점을 극복하고, 효율을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 범용 구조를 제안했다는 점에서 남다른 의미가 있다. 연구팀은 우선, 강유전성*2 고분자를 이용하면 박막(薄膜) 내의 쌍극자*3를 한 방향으로 정렬할 수 있다는 점에 착안하여, 반도체 고분자의 광활성층과 전극 사이에 ‘강유전성 나노복합박막’을 하나 더 만들었다. 이렇게 삽입된 막은 생성된 전자와 정공*4이 각각 양극과 음극으로만 흐르게 하는 전류의 ‘수도꼭지’ 역할을 하기 때문에 광전류의 손실을 최소화 할 수 있다. 이를 통해 수 밀리 초의 짧은 외부전기장을 서서히 더해주는 것만으로 소자 전체의 광기전력*5을 체계적으로 제어하고, 각 반도체 고분자 물질마다 최적의 광전류를 효과적으로 추출할 수 있다. 연구팀은 이 기술을 통해 기존 태양전지에 비해 생성된 광전하의 수명을 80%이상 늘리고, 효율은 최소 10%에서 최대 400%까지 높일 수 있음을 확인했다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구 성과는 새롭게 개발되는 모든 유기반도체에 적용 가능한 소자구조의 모델을 처음으로 제안한 것”이라며 “이 연구를 바탕으로 고효율, 저비용의 인쇄용 플렉시블 유기태양전지의 개발에 기여할 것”이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업인 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원을 받아 수행됐다. [용어설명] 1. 광전환 효율(Photoconversion efficiency) 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하는데 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐른다. 이를 광전효과라 한다. 광전환 효율은 광전효과를 통해 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 효과의 정도를 뜻한다. 2. 강유전성(强誘電性, ferroelectricity) 양전하와 음전하의 중심이 분리되어 결정체의 한쪽은 양, 다른 쪽은 음으로 대전되는 현상인 ‘자발분극’을 나타내는 부도체나 유전체의 특성. 즉, 적당한 전기장을 가해서 분극 방향을 바꿀 수 있는 특성을 의미한다. 3. 쌍극자(雙極子, dipole) 성질이 서로 반대이고, 크기가 같은 것이 극히 가까이에 있을 때 이것을 쌍극자라 한다. 전기 쌍극자, 자기 쌍극자 등이 있다. 4. 정공(正孔, hole) 반도체의 결정에서 자유전자(가전자)가 빠져나간 빈 상태의 구멍. 양의 전하와 양의 질량을 가진 입자처럼 행세하여 전기 전도의 캐리어가 된다. 5. 광기전력(光起電力, photoelectro-motive force) 반도체에 빛을 쬐어주었을 때, 발생하는 전압.

김대진 교수 연구팀, ‘3D 신체 관철 정밀 추적기술’로 구현

춤 동작 오류 콕 집어주는 ‘K-Pop 춤 선생’ 만들었다 POSTECH이 누구나 손쉽게 가정에서 유명 가수의 춤을 따라 할 수 있는 ‘가상 춤 선생’ 기술을 개발해 대중들의 비상한 관심을 끌고 있다. POSTECH 지능형 미디어 연구실 김대진 교수 연구팀은 3D 신체관절 정밀 추적 기술을 기반으로 누구나 손쉽게 각 가정에서 유명 가수의 춤을 배울 수 있는 K팝 춤 선생 기술을 개발하고, 관련 기술 논문을 영상 처리 관련 국제 학술대회 ICIP 2015(IEEE International Conference on Image Processing 2015)를 통해 최근 발표했다. 우선, 연구팀은 수년 동안의 방대한 학습 데이터와 관절 간의 상호 관계를 이용하여 3D 신체 관절 정밀 추적 기술을 개발하는데 성공했다. 이 기술은 관절 15개의 3차원 공간상에서 위치 추적 능력이 오차 범위 평균 4.5cm 내로 매우 정확하게 인식할 수 있다. 이렇게 개발한 3D 신체 관절 정밀 추적 기술을 K팝 춤 선생 기술로 응용하기 위해, 연구팀은 미리 선곡된 가요 100곡에 대해 안무 전문가를 통해 정확한 동작을 수집했다. 이를 통해 전문가의 동작과 춤 학습자의 동작을 비교 분석하여 전체 춤 동작이 얼마나 정확한지 짚어낼 수 있다. 특히 이번에 학회에서 발표된 논문 1098건 중, POSTECH 연구팀의 논문이 상위 10% 논문으로 선정되어 ‘베스트 텐 페이퍼(Best 10% Paper)’ 상을 수상하며 보유 기술의 우수성을 인정받기도 했다. 연구를 주도한 김대진 교수는 “각 신체 부위가 정확한 동작을 취할수록 밝은 색(흰색)으로, 그렇지 못할수록 어두운 색(검은색)으로 표시되는 등 일반인들이 K팝 댄스를 손쉽게 배우기 적합한 기술”이라며 “춤 동작을 개별적으로 분석하여 실시간으로 정확한 개선 포인트도 모니터링 할 수 있다”고 말했다. [그림설명] 춤 선생 동작(좌) 및 학습자 동작(우) 비교 영상. 오른쪽 학습자 경우, 각 신체 부위가 정확한 동작을 취할수록 밝은 색(흰색)으로, 그렇지 못할수록 어두운 색 (검은색)으로 표시된다.

김철홍 교수팀, ‘다중컬러 광음향 림프절 조영술’ 개발

몸 속에 숨어있는 림프절‘광음향’으로 샅샅이 들여다본다 * 사진설명(좌로부터) 김철홍 교수, 이창호 교수, 김지수 박사과정 크기가 1~2cm 정도에 불과하면서도 우리 몸 속 전체에 퍼져 있는 면역기관 ‘림프절(lymph node)’*1은 건강의 바로미터다. 예를 들어 감기에 걸렸을 때 편도가 붓는 것은 호흡기 바이러스가 몸에 들어왔을 때 목구멍 근처의 림프절에서 바이러스에 대한 항체 반응을 일으키기 때문이다. 그러나 우리 몸속에는 수많은 림프절들이 서로 복잡하게 얽혀 있어, 몸에 이상이 생겼다 하더라도 기존 림프절 조영법*2으로는 정밀한 탐지가 쉽지 않았다. 창의IT융합공학과 김철홍 교수․이창호 교수․김지수 박사과정 연구팀은 기존 의료계에서 사용하는 조영법 보다 훨씬 더 깊고 선명하게 촬영 가능한 광음향*3 림프절 조영술을 개발하고, 관련 연구 성과를 생체소재분야 국제 권위지 ‘바이오머티리얼즈(Biomaterials)’ 최신호(9월 16일)를 통해 발표했다. 김철홍 교수팀은 림프절 분포를 정확히 분별해 내는 것이 암진단 등 각종 질병을 진단하는데 중요함에도 불구하고 기존 방사선이나 형광 영상기반 조영술로는 복잡한 림프절을 탐지하는데 어렵다는 사실에 주목했다. 연구팀은 광음향 촬영 장치와 유기 나노제조된 두 가지 물질(나프탈로사이아닌 707nm 및 860nm)을 동시에 사용하는 방법으로, 서로 떨어져 있는 두 가지 림프절들을 광음향으로 동시에 뚜렷하게 촬영하는데 성공했다. 두 나노 물질의 근적외선*4 흡수도가 서로 다르다는 점에 착안한 것이다. 특히 이 기술을 이용하면, 기존 조영술보다 훨씬 고해상도로 촬영이 가능하고, 깊이 숨어 있는 림프절을 탐지해 낼 수 있다. 또한 복합 림프절의 연관 정보를 한눈에 파악하여 환자에게 영향을 최소화하면서도 효과적인 림프절 절제 시술이 가능하고, 암 진단 시 다양한 부위(목, 유방 등)의 동시 촬영도 가능하다. 연구를 주도한 김철홍 교수는 “기존 상용 초음파 장비와 결합하여 응용하면 우리 몸의 하수구와 같은 림프절 생체조직을 기존 조영술보다 훨씬 더 깊고 선명하게 볼 수 있는 광음향 영상을 구현할 수 있을 것으로 예상된다”며 “특히, 다른 색상으로 구분되어 표시되는 두 가지 림프절 영상은 유방암 진단과 같은 최소 침습 절제술에 크게 기여할 것”이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 및 정보통신산업진흥원의 ‘IT 명품인재 양성사업, 한-중 과학기술협력센터의 ’선도 연구센터 육성사업‘, 해양 수산부의 ‘해양 융복합 바이오닉스 소재 사용화 기술 개발 사업’의 지원을 받아 수행됐다. 1. 림프절 (lymph node, -節) 생체 내에서 전신에 분포하는 면역기관의 일종으로, 내부에 림프구 및 백혈구가 포함되어 있다. 각 림프절은 림프관에의해 서로 연결되어 있으며 림프절에서는 림프관을 타고 림프절로 들어온 외부 항체 등에 대한 탐식작용 및 항원제시, 항체생성 림프구의 증식 등 일련의 면역반응이 일어난다. 2. 림프절 조영법 (lymphangiography, -造影法) 림프관과 림프절(림프샘), 가슴 림프관에 조영제를 주입하고 촬영하는 방사선 검사. 주로 악성 종양의 림프샘 전이 상태, 악성 림프 종양의 진단, 림프 계통 부종, 가슴 림프관의 변화 등 알아낸다. 3. 광음향 (光音響) 물질이 빛을 흡수하여 음향적 반응을 나타내는 현상 4. 근적외선 (near infrared ray, 近赤外線) 햇빛이나 발열체로부터 방출되는 빛을 스펙트럼으로 분산시켰을 때 적색 스펙트럼의 끝보다 바깥쪽에 있는 것이 적외선이며, 이 가운데 파장이 가장 짧은 것이 근적외선이다. * 그림설명: 나프탈로사이아닌(나노랩) 707nm와 860nm 두 가지를 동시에 활용하여 살아있는 쥐의 림프절을 광음향 영상으로 촬영.

보행자 알아채는 자동차, 외국어 바로 번역하는 안경, POSTECH이 만든다

POSTECH-(주)스트라드비젼, 인식기술 ‘세계최고’ 평가 보행자가 나타나면 멈추고, 앞서가던 자동차가 가까워지면 자동으로 속도를 줄이는 자동차, 외국어를 보면 바로 번역해 눈에 보여주는 안경은 이제 현실로 가까이 다가왔다. 실생활에선 아직 거리감이 있었던 이 기술을 POSTECH과 POSTECH 동문이 창업한 한 기업이 우리 생활에 더 가깝게 다가서게 할 것으로 기대를 모으고 있다. POSTECH 지능형 미디어연구실(지도교수 컴퓨터공학과 김대진)과 POSTECH 컴퓨터공학과 출신 대학원생들이 창업한 (주)스트라드비젼(대표 전봉진)의 ‘객체인식’ 기술이 세계 최고 수준으로 인정되며 큰 관심을 모으고 있다. 지능형 미디어연구실은 그간 얼굴 검출이나 인식 분야에서 학계 뿐 아니라 산업계를 통해 높은 평가를 받았다. 연구결과는 스마트폰이나 카메라에 탑재된 얼굴인식, 스마일샷(웃으면 찍히는 기능) 등으로 이미 실생활에 활용되고 있으며, 이 연구실 출신의 대학원생들이 세운 (주)스트라드비젼은 이러한 연구로 오랜 기간 축적된 노하우를 객체인식 분야로 확대해 더욱 실생활에 가까운 연구를 목표로 하고 있다. 최근 자동차업계에서 경쟁적으로 도입에 나서고 있는 첨단운전자지원시스템(ADAS) 보행자와 자동차 인식 기능은 물론 보안업계 등에서 관심을 가지는 번호판 인식 기능, 스마트폰 앱이나 웨어러블 스마트기기는 물론 도로표지판을 인식해 차량 주행에도 도움이 될 문자인식 기능에 이르기까지 다양한 기술을 확보하고 있다. POSTECH 연구팀과 (주)스트라드비젼은 또, 프랑스에서 열린 국제패턴인식협회(IAPR) 국제 문서 분석 및 인식 학술대회(ICDAR 2015) ‘문서인식경쟁(Robust Reading of Text in Challenging Contexts)’ 부문 중 6개 분야(총 7개 분야)에 참가, 4개 분야에서 1위, 1개 분야에서는 1위 없는 2위를 차지해 화제를 모았다. 이들 분야는 주로 구글글래스 입력 영상의 문자를 추적하거나, 비디오 영상 등에서 문자를 빠르고 정확하게 인식하는 알고리즘을 서로 경쟁하는 것으로서, 문자 인식 기술에 있어서 세계 최고 수준임을 입증한 것이다. 특히 이 대회는 구글이나 퀄컴 등 글로벌IT업체와 세계 대학 등 52개국 1,056개 팀이 참여할 정도로 관련 분야에서도 중요한 대회로 꼽힌다. (주)스트라드비젼의 전봉진 대표는 “현재 자동차 운행 중의 보행자 검출 기술에서도 세계 최고 수준의 성능을 기대할 수 있는 상태”라며 “앞으로 사람, 자동차 등 다양한 객체를 검출하고 인식하는 기술을 확보해 상용화에도 적극 나설 계획”이라고 밝혔다. 한편, (주)스트라드비젼은 지난해 포스코가 포항 지역 우수 벤처 기업을 지원하기 위해 개최한 ‘스타트업 데이(Start-up day)’공모에 참가, 대상을 수상하는 등 기업체들로부터도 아이디어와 사업의 전망을 높게 평가받고 있는 POSTECH 동문기업이다.

이시우 교수팀, ‘표면 개질’ 양자점으로 유기발광 소자 시연

스스로 빛나는 탄소 ‘탄소 양자점’의 색 순도 확 높였다 양자점(Quantum Dot)은 화학적 공정을 통해 만드는 나노미터 크기의 반도체 결정체로, 주로 초미세 반도체, 질병진단 시약이나 디스플레이에 활용된다. 이 중 탄화수소화합물로 만드는 ‘탄소 양자점(carbon nanodot)’은 중금속으로 만드는 기존 양자점보다 독성이 적고 공정이 간단하며 비용이 저렴해, 광발광(photoluminescence) 현상을 이용한 바이오 이미징과 발광 소자 관련 응용 연구가 학계의 큰 주목을 받고 있다. 그러나 탄소 양자점은 원하는 크기로 균일하게 합성하는 과정이 까다롭고, 발생하는 빛의 폭이 넓어 색이 밝고 선명한 정도인 ‘색 순도’가 크게 떨어지기 때문에 본격적인 활용에 어려움을 겪어 왔다. 화학공학과 이시우 교수․권우성 박사․도성안 박사과정, 성균관대학교 정문석 교수․김지희 박사 공동 연구팀은 탄소 양자점의 표면을 개질*1하여 색 순도를 기존 유기발광체와 대등한 수준으로 끌어 올리는데 성공하고, 관련 연구 성과를 네이처 자매지인 사이언티픽리포트(Scientific Reports)를 통해 발표했다. 이시우 교수팀은 신맛을 내는 과일에 주로 함유되어 있는 시트르산(citric acid)을 이용하여 탄소 양자점을 합성한 뒤, 아닐린(aniline)*2을 이용하여 표면 개질을 하는 방법으로 색 순도를 대폭 개선했다. 이 과정에서 성균관대학교 정문석 교수팀과 공동 연구를 통해 표면 개질이 탄소 양자점의 전자 구조에 미치는 영향을 레이저 분광(laser spectroscopy)*3 실험을 통해 규명해 냈다. 그 결과, 기존의 탄소 양자점에서 나오는 광폭이 약 100nm(나노미터) 정도인 것에 반해, 표면 개질된 탄소 양자점의 광폭은 이보다 10배 가까이 줄어든 10nm에 불과했다. 이는 표면 개질된 탄소 양자점이 기존 유기발광체(organic fluorophore)와 대등하거나, 또는 더 우수한 색 순도를 유지한다는 것을 의미한다. 또한, 연구팀은 표면 개질된 탄소 양자점을 이용하여 초록색, 노란색, 주황색, 빨강색을 나타내는 필름 형태의 유기발광소자를 시연했다. 이렇게 만들어진 유기발광소자는 중금속을 이용하지 않아 환경 친화적일 뿐만 아니라, 제작 단가가 낮고 열에 매우 안정적이어서 다양한 형태의 조명 기구를 비롯해 태양전지, 센서, 영상 조영제 등으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 이시우 교수는 “표면 개질된 탄소 양자점은 미래 다양한 형태의 발광 소자 제작의 밑거름이 될 것”이라며 “특히, 에너지 효율이 높은 조명기기의 산업화 과정에서 기존 발광체 기술에 응용할 수 있다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다. 1. 표면 개질(表面改質, surface modification) 재료 본연의 특성만으로 원하는 성능과 기능을 발휘할 수 없는 때 기재 표면에 열에너지, 응력 등을 부가하여 새로운 표면층을 형성하는 방법이다. 2. 아닐린(aniline) 아미노벤젠·페닐아민이라고도 한다. 벤젠과 함께 유기화학 및 화학공업 분야에서 가장 중요시되는 화합물이다. 3. 레이저 분광 레이저 광의 특색인 단색성, 강도 특성, 파장 동조 특성 등의 여러 성질을 유효하게 이용하는 원자 및 분자의 분광법(分光法, 빛의 스펙트럼을 이용한 물질의 정성․정량 분석)

세계 최초, 내부 장기(臟器) 수술용 의료접착제 개발

- 물속에서도 우수한 접착력으로 방광, 대장 등도 안전한 접합 가능 - 해양수산부(장관 유기준)는 해양생물을 모티브로 한 ‘의료용 단백질 수중접착제’를 개발해 세계 최초로 수중 접착에 성공했다고 밝혔다. * 사 업 명 : 해양 섬유․복합 및 바이오플라스틱 소재 기술개발 사업(’10～’19)연구책임 : 해양바이오산업신소재연구단(포항공대 차형준) 그동안 대장이나 방광 등 내부 장기 수술 후에는 수술용 실로 봉합을 했다. 그러나 실만으로는 완전한 봉합이 어려울 뿐만 아니라 소변이나 소화액 등의 누수로 인한 감염과 재발의 위험이 항상 존재해왔다. 이러한 수술용 실의 단점을 보완하기 위해 많은 의료용 접착제 연구가 시도되어 왔으나, 수중 환경에서 접착력 저하, 접착제의 화학적 성질로 인한 염증반응 문제 등으로 수술용 실을 대체하지는 못했다. 이번에 개발한 의료용 수중접착제는 젖은 모래알을 붙여 집을 짓는 갯지렁이에게서 힌트를 얻은 것으로, 인체에 무해하고 접착력이 우수한 기존의 홍합 접착단백질을 수중에서도 사용할 수 있도록 한 것이다. 의료용 수술접착제는 사용이 간편하기 때문에 수술시간이 짧고 빠른 회복이 가능해 수술로 인한 환자의 불편을 줄일 수 있다. 또, 시술자의 숙련도에 따른 차이를 줄여 일정한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 의료용 수중접착제의 접착력과 지속력을 시험하기 위해 쥐의 방광 조직에 구멍(누공)을 만들어 실험한 결과, 방광의 수축․팽창 및 다량의 수분에 노출되었음에도 불구하고 안정적인 접합 상태를 유지하고 있는 것을 확인했다. 이러한 성과는 바이오소재 분야의 최고 권위 학술지인 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials, IF8.5)에 온라인 게재되었다. 의료용 접착제가 활용될 수 있는 세계 의료봉합 및 접합시장은 연간 140억 달러(한화 약 15조원) 규모이며, 이번에 개발한 홍합 기반 수중접착제 기술이 상용화에 성공할 경우 세계시장을 주도해나갈 수 있을 것으로 전망된다. 연구단은 향후 살아있는 토끼의 방광 실험 등을 통해 의료용 수중접착제의 접착력과 안전성을 확인할 계획이다. 의료용 수중접착제는 다른 내장 장기의 접합에도 활용될 수 있고, 주사를 통해 체내 투입이 용이하기 때문에 인체에 고통을 주지 않는 비침습적 복강경 혹은 로봇수술, 약물전달 등 다양한 활용이 가능할 것으로 기대된다. 이상진 해양수산부 해양수산생명자원과장은 “해양은 산업신소재 발굴에 있어 자원 보유량과 다양성이 풍부하고, 해양자원의 제품화 성공률은 육상의 2배 이상으로 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.”라며, “해양수산부는 전폭적인 지원을 통해 해양 바이오산업의 경쟁력을 높여갈 것”이라고 밝혔다. 한편, 해양수산부는 지난 7월 홍합 접착단백질에서 유래한 ‘수술용 순간접착제’ 개발을 발표한 바 있다. 홍합유래 순간접착제는 염증반응을 일으키지 않고 흉터도 최소화시키는 등 향후 수술용 실을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. [용어 설명] □ 재조합 홍합접착단백질(recombinant mussel adhesive protein) ㅇ 해양생명체인 홍합이 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체표면에 단단히 부착하기 위해서 생산․분비하는 접착 단백질로, 생체접착제 및 생체재료로의 다양한 응용 잠재력을 가짐 - 인장강도(에폭시 수지의 약 2 배) / 높은 유연성 / - 생체친화성(인간 세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않음) □ 의료접착제(medical adhesive) ㅇ 기존 봉합사의 단점을 보완, 대체하기 위한 접착제 - 봉합사는 생체조직을 접합하기 위해 쓰이는 것으로 영구적 흉터, 염증, 체액(body fluid) 누설, 연약한 조직 내의 적용 문제 등이 있음 - 기존 봉합사를 보완․대체하기 위한 방법으로 조직 투과 없이 결합시켜 접합․접착시켜주는 의료접착제(조직접착제) 연구가 활발히 전개 □ 코아세르베이트(Coacervate) ㅇ 서로 반대 전하를 띄고 있는 두 물질이 만났을 때 정전기적 결합을 통해 작은 액체방울로 분리되는 현상 또는 기작 - 캘리포니아에 서식하는 바다 갯지렁이(sandcastle worm)는 자신을 보호할 수 있는 모래성을 만들기 위해 물속에서도 와해되지 않고 강한 접착력을 가지는 코아세르베이트 형태의 접착제를 이용 ㅇ 코아세르베이트는 내수성 이외에도 매우 낮은 표면 에너지를 가짐 - 표면 코팅이 용이하고 좁은 관을 통해서도 쉽게 주입이 가능하며, 약물과 같은 생체 활성 물질을 탑재할 수 있는 성질도 있어 약물전달 담체로도 사용 가능 * 보도자료 출처: 해양수산부

전자에 의한 ‘음의 굴절’, 그래핀으로 세계 첫 실현

이후종 교수팀, ‘탄도성 전자소자’ 등에 활용 기대 물체가 갑자기 시야에서 사라지게 만드는 광학 투명망토, 아주 작은 물체라도 구면 수차*1 없이 뚜렷하게 볼 수 있는 초고해상도 슈퍼렌즈. 불과 얼마 전까지만 해도 허황된 이야기에 불과했다. 그러나 최근 물리학자들은 메타물질*2 등을 통한 ‘음의 굴절’*3이란 현상에 주목하기 시작했다. 어떤 물질이 음의 굴절이 가능하면, 빛이 일반적인 굴절 방향과 다른 쪽으로 휘게 되어 물체와 닿거나 반사되지 않고 반대편으로 나갈 수 있다. 이를 통해 이론적으로는 상상 속의 ‘투명 망토’나 나노입자도 볼 수 있는 ‘슈퍼렌즈’를 만들 수 있는 것이다. 그 동안 학계에서는 전자의 전파에 대해서도 음의 굴절을 나타내는 전도물질을 찾기 위해 많은 연구가 이루어졌다. 그 가운데에서도 그래핀을 이용하면 음의 굴절이 가능할 것으로 수 년 전 이론적으로 예측됐지만, 기술적 한계로 인해 이를 실현하지는 못한 상태였다. 물리학과 이후종 교수, 이길호 박사(현 하버드대 박사후연구원)․박사과정 박건형씨 연구팀은 그래핀에서 전자에 의한 음의 굴절을 실현하는 데 성공, 관련 연구 성과를 물리학 분야 국제 권위지 네이처 피직스(Nature Physics)지 온라인 판(9월 14일자)을 통해 발표하여 학계로부터 비상한 관심을 불러 모으고 있다. 이후종 교수 연구팀은 육방정계(六方晶系) 질화붕소(boron nitride)*4 단결정막 사이에 그래핀 막을 삽입하여 그래핀의 전하 이동도*5를 획기적으로 향상시키고, 전자빔묘화(電子線描畵)*6를 이용해 가장자리가 깨끗한 게이트를 얹는 방식으로 기술적 한계를 극복할 수 있었다. 연구팀은 이 기술을 이용하여 그래핀의 한 점전극에서 나온 전류가 다른 점전극에 초점이 맞춰지는 ‘베셀라고 렌즈’*7 현상을 처음으로 확인했다. 질화붕소를 이용하여 그래핀에서 전하 이동도를 획기적으로 향상시키는 기법이 최근 개발된 것에 착안, 베셀라고 렌즈 현상을 구현해 낸 것이다. 베셀라고 렌즈 현상은 그래핀이 발견된 이후 음의 굴절을 연구하는 과학자들 사이에서 가장 중요한 관측 대상이기도 하다. 연구를 주도한 이후종 교수는 “이 기법을 이용하면 이동도가 높은 전도체 판에서 전자의 흐름을 마음대로 조절할 수 있게 되어, 상온에서 작동할 수 있는 새로운 탄도성 전자소자 개발에 획기적인 진전을 가져올 것”이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터지원사업과 글로벌프론티어연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 구면 수차(球面收差, spherical aberration) 렌즈나 구면거울 등에서 물체의 상을 만들 때, 렌즈가 아무리 완벽하다 하더라도 그 상(像)은 물체의 꼴을 완전히 재현할 수 없다. 이것은 수차 때문인데, 이 원인 중 빛의 파장의 차이로 생기는 색수차(色收差)를 제외한 나머지 수차를 구면수차라고 한다. 2. 메타 물질(metamaterial) 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 빛의 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자(Meta Atom)의 주기적인 배열로 이루어진 물질이다. 메타물질은 자연적인 물질들이 할 수 없는 방식으로 빛과 음파를 상호 작용하도록 설계, 투명망토와 고성능 렌즈 등 새 응용 분야에 적용할 수 있다. 3. 음의 굴절(negative refraction) 보통 공기에서 다른 매질을 통과하게 될 때 빛은 속도가 느려지는 대신 짧은 거리를 가려하기 때문에 ‘굴절’을 하게 된다. 자연에 존재하는 물질은 모든 빛에 대해서 양(+)의 굴절률을 갖고 있다. 그러나 빛이 보통 휘는 방향과 반대 방향인 음(-)으로 급격히 휘는 경우가 있는데 이를 음의 굴절이라고 한다. 4. 질화 붕소(boron nitride) 흑연과 유사한 결정 구조를 갖는 B와 N의 화합물. 전기 절연성을 지니며, 색깔이 흰 것을 제외하고는 흑연과 꼭 같은 백색 흑연이다. 5. 전하 이동도(電荷移動度, carrier mobility) 이온이나 전자가 전계의 작용이 가해졌을 때에 이동하는 경우, 그 움직임의 용이성을 나타내는 정도 6. 전자빔 묘화(電子線描畵) 초점이 잘 맞추어진 전자빔을 이용, IC(집적회로)의 미세한 회로 패턴을 그려 내는 기법 7. 베셀라고 렌즈(Veselago lensing) 자연에 존재하는 물질은 모든 빛에 대해서 양(+)의 굴절률을 갖고 있다. 그런데 약 40년 전에 러시아의 물리학자인 빅토르 베셀라고(Victor Veselago)는 음(-)의 굴절률을 가진 물질이 존재할 수 있으며, 이런 물질에서는 빛이 보통 휘는 방향과 반대 방향으로 휠 것으로 예측했다.