Research

화학 심지훈 교수팀, ‘훈트금속의 양자결맞음 과정’ 직접 관찰

[POSTECH-IBS 연구팀, 강상관계 물질의 금속-절연체 전이 과정에서 훈트 상호작용으로 인한 양자결맞음 과정 직접 관찰] 강상관계 물질이란 전자 간의 강한 상호작용으로, 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질들을 말한다. 금속-부도체 전이 현상이나 높은 온도에서 저항이 0이 되는 고온초전도 현상이 그 대표적인 예다. 그간 이런 전자의 강한 상호작용 및 이들의 양자결맞음 현상을 설명하기 위한 연구는 있었지만, 이론과 실험을 통해 이들 에너지 스케일의 변화를 직접 관찰한 사례는 없었다. POSTECH-IBS 연구팀이 새로운 강상관계 물질인 훈트금속에서 일어나는 양자결맞음 현상을 전자구조를 통해 직접 관찰하고 그 원리를 규명하는 데 성공했다. 화학과 심지훈 교수·장보규 박사 연구팀과 IBS 강상관계물질연구단 김창영 교수·한가람 박사 연구팀은 각분해 광전자 분광법을 사용해 강상관계 물질인 NiS2-xSex의 전자 띠구조가 뒤틀리는 현상을 발견하고, 이 현상이 셀레늄(Se) 도핑 정도에 따라 변하는 것을 확인했다. 또한, 제일원리계산을 통해 이러한 뒤틀림이 훈트 상호작용*1 때문이며 물질 고유의 양자결맞음 현상과 연관된다는 사실도 최초로 밝혔다. 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 지금까지는 보통 하나의 에너지 띠에서 일어나는 전자의 상호작용만으로 강상관계 물질에서 일어나는 특이한 현상을 설명해왔다. 하지만 대부분의 물질은 여러 개의 에너지 띠를 가지며, 이 때문에 고려해야 하는 훈트 상호효과를 이해하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 훈트금속*2인 NiS2-xSex 물질에서 셀레늄(Se) 도핑을 조절함으로써 전자 간 상호작용의 세기를 조절했다. 그 결과, 낮은 온도에서 전자 띠구조의 뒤틀림 현상을 확인하였고, 이들의 양자결맞음 에너지 스케일이 Se양에 따라 바뀌는 것과 직접적으로 연관이 있음을 밝혀냈다. 이 연구는 하나의 에너지 띠만을 가정한 기존의 연구가, 훈트 상호작용이 중요한 역할을 하는 다(多) 에너지 띠 시스템에서는 수정돼야 한다는 점을 제시함과 동시에, 물질 고유의 양자결맞음 에너지 스케일을 낮은 온도에서 전자구조를 통해 직접 관찰한 연구로 학계의 주목을 받고 있다. 한편, SRC 양자동역학 연구센터, 나노·미래 소재 원천기술 개발사업, IBS 사업단의 지원으로 수행됐다. 1. 훈트 상호작용 전자들의 스핀을 서로 같은 방향으로 정렬시키는 물리작용 2. 훈트 금속 훈트 상호작용이 전자 간 상호작용에 중요한 역할을 하는 다(多) 에너지 띠 금속 물질

화공 조길원 교수팀, 손보다 뛰어난 감각을 가진 ‘전자 피부’

[POSTECH∙울산대 연구팀, 인간 손가락 모사해 인공 전자 피부 개발] ‘상자 속 물건 맞추기’ 게임을 해본 적이 있는가? 인간의 손가락은 압력, 인장, 진동 등 다양한 종류의 자극을 민감하게 인지할 수 있다. 이는 손가락 피부 표면에 존재하는 지문이 외부 자극의 크기를 증폭시키고, 피부 내부에 분포된 다양한 종류의 감각수용체가 이를 감지하기 때문이다. 이러한 인간의 손보다 더 뛰어난 감각을 가진 인공 전자 피부가 개발됐다. 화학공학과 조길원 교수, 이기원 박사 연구팀은 울산대 화학과 이승구 교수와 공동 연구를 통해 인간의 손가락 감각을 모사하여 접촉하는 물체의 종류와 재질을 동시에 구별할 수 있는 ‘인공 전자 피부’ 개발에 성공했다. 지금까지 개발된 다(多)감각 센서는 단일 감각의 민감도를 높이거나 물체의 재질 정보만을 알아낼 수 있을 뿐 물체의 종류를 구별하기는 어려웠다. 연구팀은 인간 피부의 지문을 구조적으로 모사하여 표면에 미세 주름을 가진 얇은 고분자 탄성체 박막을 만들고, 그 속에 은나노와이어와 산화아연 나노와이어를 분산시켜 높은 신축성을 지니는 다감각 인공 전자 피부를 구현했다. 개발된 센서 소자는 압력, 인장, 진동 등의 자극에 따라 각각 다른 종류의 전기적 작동 메커니즘이 선택적으로 작용하여 외부 자극을 구별했다. 또한, 물체를 문지르면서(드래깅, Dragging) 발생하는 복합적인 전기 신호를 분석함으로써 접촉하는 물체의 종류와 재질을 동시에 구분했다. 연구팀은 개발된 인공 전자 피부를 로봇의 손에 부착시켜 접촉하는 천연 소재, 세라믹, 금속, 합성 고분자 등의 다양한 물질을 구별할 수 있음을 확인했다. 동시에 거칠거나 끈적함, 딱딱함 등 물체의 질감도 구별할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 또 인지 정확도 면에서 인간이 느끼는 피부 감각보다 뛰어났다. 조길원 교수는 “개발된 인공 전자 피부는 물체의 종류와 재질을 동시에 정확하게 구별하여 인지할 수 있다”며 “인공 보철에 사용되는 다감각 센서, 소프트 로보틱스의 전자 피부, 가상현실(Virtual reality, VR)과 증강현실 (Augmented reality, AR)의 휴먼-머신 인터페이스 등 다양한 분야에 두루 활용될 것으로 기대한다”고 말했다. 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’ 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 최고 권위의 재료과학 분야 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’지 최신 호 논문으로 게재됐다.

신소재 강병우 교수팀, 새로운 합성법으로 만든 양극 소재, 전기차 상용화 앞당긴다

[리튬 과량 층상구조 물질의 국부 조절 통해 고밀도 양극 소재 개발] 국내 연구진이 비싼 금속을 사용하지 않고도 수백 사이클*1 동안 안정적으로 충·방전이 가능한 고용량 양극 소재를 개발했다. 리튬 전지로 장거리를 운행할 수 있는 전기자동차를 만날 수 있는 날이 한층 가까워졌다. 신소재공학과 강병우 교수, 이정화 박사 연구팀은 차세대 고용량 양극재로 주목받고 있는 리튬 과량(Li-rich) 층상구조 물질*2의 합성법 조절을 통해서 500사이클 이상 충·방전이 안정적으로 유지되는 고에너지 밀도의 양극 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 연구 성과는 미국화학협회 에너지 분야 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다. 전기자동차 주행거리와 충·방전 사이클은 리튬 이차 전지의 양극 소재의 특성에 의해 결정된다. 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전기를 만드는데, 리튬 과량 층상구조 양극 소재의 경우에 많은 양의 리튬이 탈리(脫離)*3, 삽입되는 과정에서 사이클 수가 급격하게 저하된다. 특히, 높은 충전 상태에서 많은 양의 리튬이 탈리되고 산소 반응이 일어나게 되면, 구조적인 붕괴가 일어나게 되고 이후 충·방전 특성과 고에너지 밀도를 유지할 수 없게 된다. 이로 인해서 사이클 특성이 저하되는 것이 상용화에 걸림돌이 됐다. 리튬 과량 층상구조 물질에서 전이 금속과 리튬 층 사이 원자의 불규칙한 분포 형태가 전기화학 반응 활성화 및 사이클 특성에 중요한 요인임을 밝힌바 있는 연구팀은 합성 조건을 조절하는 후속 연구를 실시했다. 이때 기존 발표가 되었던 고상법을 이용하여 최적화된 원자의 분포 형태를 가지는 양극 소재를 구현할 수 있는 간단하고 효율적인 새로운 공정법을 개발했다. 그 결과, 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 전기화학적 활성도와 사이클 특성의 관점에서 최적화된 국부 구조를 가지게 되어 많은 양의 리튬을 가역적으로 사용할 수 있고, 수백 사이클 동안 산소 이온의 반응도 안정적이고 가역적으로 구동됨을 확인했다. 이러한 최적화 된 조건으로 비싼 가격의 코발트가 포함되지 않은 조성으로 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 기존 상용화된 고니켈 층상구조 물질(ex. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2)의 에너지 밀도인 600Wh/kg보다 180% 이상 증가한 1,100Wh/kg 가역 에너지를 구현할 수 있다. 특히, 많은 양의 리튬이 빠지더라도 안정적인 구조를 유지할 수 있게 되어 100사이클 동안 95% 정도의 용량을 유지할 수 있다. 또한, 500사이클 동안 83%정도의 용량을 유지해 수백 사이클 동안 안정적인 고에너지를 유지할 수 있는 획기적인 성능을 기대할 수 있다. 강병우 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 고용량 리튬 과량 층상구조 양극의 중요한 이슈 중 하나인 사이클 특성을 비교적 간단한 공정 변화를 통해서 획기적으로 개선했다는 점, 그리고 이를 통해 차세대 리튬 과량 층상구조 양극 소재가 실제 상용화에 적용하는데 한 걸음 더 다가섰다는 점에 의미가 있다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구자 지원 사업 및 방사선 기술 개발 사업 지원을 받아 진행됐다. 1. 사이클 배터리가 완전히 충전된 상태에서 방전된 다음, 다시 완전 충전될 때까지의 화학 작용. 2. 리튬 과량(Li-rich) 층상구조 물질 기존의 층상 구조 물질보다 리튬의 양이 니켈(Ni), 망간(Mn) 등의 전이금속보다 많이 포함된 층상구조를 가지는 양극재. 따라서, 고에너지 밀도를 구현할 수 있음. 3. 탈리(脫離) 화합물 구조 내에서 리튬 이온이 추출되는 현상.

물리 송창용 교수팀, 찰나의 빛과 인공지능이 만나면 바이러스의 3D 동영상도 찍을 수 있다?

[POSTECH 공동연구팀, XFEL-머신러닝으로 고효율 3차원 나노 이미징 구현] 태양광의 100경 배 밝고, 무려 1천조분의 1초로 ‘찰나의 빛’으로 불리는 4세대 방사광가속기와 인공지능이 만나 바이러스와 성질이 비슷한 나노입자의 입체(3D) 구조를 영상화하고, 그 구조를 복원하는 데 성공했다. 코로나19로 인해 새로운 전염병에 대한 두려움이 전 세계적으로 커지고 있는 가운데, 바이러스의 구조를 정확하고 신속하게 파악할 수 있는 성과로 학계의 주목을 모으고 있다. 물리학과 송창용 교수·통합과정 조도형씨 연구팀은 싱가포르국립대(National University of Singapore, NUS), KAIST, GIST, IBS와 공동 연구를 통해 엑스선 자유전자 레이저(XFEL, 포항 4세대 방사광가속기)를 이용해 시간당 수천 개의 나노입자를 조사(照射)하고, 머신러닝을 이용한 다중모형 3차원 복원을 이용해 나노입자가 가지는 3차원 구조의 불균일성을 분석해냈다. 나노입자는 자연적인 입자들에서 나타나지 않는 특이한 성질을 가지고 있으며, 3차원 구조의 설계와 내부 구성물질에 따라 입자의 물리·화학적 성질을 조절할 수 있는 특징이 있다. 나노입자와 바이러스의 공통점은 주기적으로 배열된 결정이 아닌 나노미터(nm) 수준의 독립적인 입자의 형태로 존재하고, 구조가 완벽히 같지 않다는 것이다. 하나의 나노입자를 정확하게 이해하려면 개별 입자의 구조는 물론 수천~수십만 개의 입자가 가진 구조의 분포를 통계적으로 분석할 수 있어야 한다. 하지만, 기존 전자현미경은 전자의 투과 깊이가 짧아 시료 크기에 제한이 있고, 엑스선은 시료가 손상될 수 있어 충분한 분해능을 얻기 어려웠다. 공동연구팀은 태양보다 100경배 밝은 4세대 가속기와 머신러닝을 활용해 기존 방법이 가진 물리적 한계를 극복하고, 수천 개의 나노입자가 가지는 3차원 구조의 통계적 분포를 나노미터 수준에서 관측했다. 그 결과 300나노미터(nm) 크기의 나노입자의 3차원 구조를 20nm의 해상도로 얻을 수 있었다. 이번 성과는 특히, 싱가포르국립대와의 공동연구를 통해 머신러닝을 이용해 수천 개의 나노입자가 가지는 3차원 구조를 복원했다는 점에서 눈길을 끌었다. 기존 방법은 한 가지 3차원 구조만을 가정하기 때문에 시료 구조가 일정하지 않은 실제 실험 데이터에선 구조 복원이 어려웠다. 그러나 이번에 다중모형을 새롭게 도입하면서 3차원 구조 복원에 성공했다. 이로써 나노입자를 크게 4가지 모양으로 분류하는 것이 가능하고, 그중 약 40% 입자들이 유사한 구조로 되어 있음을 확인했다. 또한, 연구팀은 복원된 3차원 구조의 정량 분석을 통해 나노입자가 가지는 특징적인 24면체 구조와 내부에서 나타나는 밀도 분포로부터 내부의 탄성 변형(elastic strain)의 양상도 확인했다. 송창용 교수는 “이번 연구 결과를 바탕으로, 분자들이 완벽하지 않은 결정이나 규칙적이지 않은 정렬로 돼 있는 비결정 바이러스 개체의 3차원 구조도 관측할 수 있게 된다”며 “여기에 머신러닝을 통한 3차원 이미지 복원 알고리즘이 더해져 살아 있는 생체의 거대분자나 바이러스의 구조에 대한 연구에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 가속기핵심기술개발사업, 중견후속연구, SRC의 지원으로 수행된 이 연구는 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다.

창의IT 박성민 교수팀, ‘AI알고리즘’으로 한층 업그레이드된 인공췌장

[한계 뛰어넘는 완전자율형 인슐린 치료법 도전] 전 세계적으로 당뇨병이 급증하고 있다. 당뇨병은 평생 완치가 되지 않는 질병으로 꾸준히 관리해야 한다. 당뇨병 관리를 돕기 위해 연속혈당 데이터를 바탕으로 인슐린을 혈중에 주입해주는 인공췌장이 인공지능 학습으로 더 똑똑해졌다. 창의IT융합공학과 박성민 교수, 통합과정 이승현씨, 김지원씨 연구팀은 인공지능의 강화학습(reinforcement learning)을 활용해 당뇨 환자에게 맞는 인슐린 양을 계산해 자동으로 주입해주는 AI 알고리즘을 개발했다. 이 연구의 성과는 의료정보학 분야의 권위있는 국제학술지 ‘IEEE JBHI(IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics)’ 최신호에 특집 논문(Featured Article)로 게재됐다. 제1형 당뇨병 환자의 경우 체내에서 인슐린이 거의 분비되지 않기 때문에, 인슐린을 매일 주사해야 한다. 특히, 섭취하는 음식 속의 탄수화물 양을 매번 확인해 그에 맞는 인슐린 양을 계산하고, 식사 전에 미리 주사를 해야하는 번거로움이 있다. 이러한 병원 밖 자가 인슐린 치료를 도와주는 기기인 인공췌장이 시판되고 있기는 하지만 여전히 식사정보를 매번 입력해야 하는 한계가 있다. 연구팀은 이런 번거로움을 해결하기 위해 알파고의 알고리즘으로도 잘 알려진 강화학습에 약리학 개념을 추가했다. 이렇게 개발된 AI알고리즘의 학습 결과, 미국 FDA승인 가상 제1형 당뇨병 환자에서 하루 평균 89.56%의 정상혈당 범위를 유지하는것을 확인했다. 이는 식사량을 입력하는 기존 인공췌장 알고리즘에 버금가는 성능으로, 식사정보 없이도 개인화와 자동화 측면에서 높은 혈당관리 성능을 보이는 것으로 나타났다. 연구팀은 “완전 자율화된 인공췌장은 의료분야에서의 자율주행과 같다”며 “이번에 개발된 AI 알고리즘은 식사량을 따로 입력하는 번거로움 없이 완전히 자동화된 개인맞춤형 혈당 관리를 가능하게 하며, 현재 동물실험을 진행중이다”고 말했다. 또한, “이 알고리즘은 약물을 기반으로 한 다른 치료에도 확장할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 한편, 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 100% 광스핀홀에 도전한다

[POSTECH -KAIST 연구팀, 비등방성 메타표면 이용한 스핀홀 효과 달성] POSTECH-KAIST(한국과학기술연구원, 총장 신성철) 공동 연구팀이 인공적으로 디자인된 메타표면을 활용해 100% 효율에 가까운 ‘광스핀홀 효과’를 얻는 방법을 내놓았다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김민경씨, 이다솔 박사 연구팀은 KAIST 기계공학과 민범기 교수, 조혁준씨 연구팀과 함께 비등방성을 갖는 메타표면을 이용해 효율이 거의 100%이면서 광스핀홀 효과를 높일 수 있는 방안을 제안했다. 이를 위하여 한 편광의 빛은 대부분 투과하고 다른 편광의 빛은 반사하는 메타표면을 설계하여 고주파 영역에서 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다. 이번 연구의 성과는 광학 분야 권위지 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser and Photonics Reviews)’ 2월호에 게재됐다. 광스핀홀 효과는 광학 경계면에서 빛이 반사 또는 굴절할 때, 빛의 편광 방향에 따라 입사평면에 수직인 방향으로 빛이 이동하는 현상을 가리킨다. 이런 광스핀홀 효과가 증가하면 파장의 수 배 또는 수십 배 이상의 빛을 이동시킬 수 있다. 지금까지 광스핀홀 효과에 관한 연구는 주로 빛의 이동을 크게 하는 방향으로 진행됐고, 효율은 거의 고려하지 않았다. 광스핀홀을 증폭시키면, 효율이 매우 낮아지기 때문에 효율이 높으면서도 광스핀홀 효과가 큰 연구는 보고된 바가 없었다. 연구팀은 광스핀홀 효과를 증폭시키기 위해 비등방성을 갖는 메타표면을 이용했다. 이 메타표면은 한 편광의 빛은 대부분 투과시키면서 다른 편광의 빛은 반사하여 광스핀홀 효과를 증폭시키도록 설계됐다. 마이크로파와 같은 고주파 영역에서 메타표면의 투과율을 측정하고 이를 통해 투과된 빛의 편광 상태를 검증하여 효율이 100%에 달하는 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다. 연구를 주도한 교신저자 노준석 교수는 “광스핀홀 효과를 증가시키는 기존 연구들은 증가시키는 그 메커니즘이 효율을 낮게 하는 경우가 대부분이었다”며, “이 연구에서 처음으로 광스핀홀의 효율을 계산하는 방법을 제시하고, 효율을 높이면서도 광스핀홀 효과를 키우는 방법을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다. 또한, “광스핀홀 효과는 빔 분할기, 필터, 스위치 등 초소형 광학 소자로 활용될 수 있는데, 이 연구는 이러한 스핀 기반 소자의 효율성을 높일 수 있다”고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 과기정통부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 지역혁신선도연구센터, 교육부 글로벌박사양성사업의 지원으로 수행됐다.

기계 임근배 교수팀, 양전하 입자만 콕 집어 농축한다

[다공성 음이온 교환막 개발] 유체 내 존재하는 미량의 물질을 찾아내기 위해서는 농축, 분류 등의 시료 전처리 과정이 반드시 필요하다. 최근 과학계에서는 전기수력학(electrokinetics)*1 바탕의 간편한 시료 전처리 방법이 활발하게 연구되고 있다. 그러나, 핵심 구성 요소인 음이온 교환 물질의 부재로 인해 그 응용 범위가 음전하 입자로만 제한되고 있는 상황이다. 최근 POSTECH 연구팀이 양전하 입자를 콕 집어 농축할 수 있는 방법을 찾아냈다. 기계공학과 임근배 교수, 박사과정 이민수 씨, 권혁진 박사 연구팀은 새로운 형태의 음이온 교환 물질인 '다공성 음이온 교환막'을 개발하여 양전하 입자를 위한 전기수력학 기반 시료 농축 장치를 구현하는 데 성공하였다. 이 연구성과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 표지 논문으로 게재됐다. 이온 교환 물질은 특정한 극성의 이온을 선택적으로 통과시켜 유체가 흐르는 채널 내에 강한 전기장 영역을 유도해주는 역할을 한다. 이를 통해, 유체 내 존재하는 대전 입자는 전기적 반발력을 받아 연속적으로 농축된다. 일반적으로, 농축하고자 하는 대전 입자의 극성에 따라 요구되는 이온 교환 물질의 극성이 다른데, 음전하 입자의 경우 양이온 교환 물질이, 양전하 입자의 경우 음이온 교환 물질이 필요하다. 그런데, 현재 상용 물질이 존재하는 양이온 교환 물질과 달리 음이온 교환 물질의 경우 쉽게 적용할 수 있는 물질이 존재하지 않아, 양전하 입자 농축 장치의 제작 과정이 매우 복잡해지는 문제가 발생하고 있다. 연구팀은 기존 음이온 교환 재료를 이용하여 간단한 주조 및 염침출*2 과정을 통해 우수한 기계적 강도와 이온 교환 능력, 유체 수송 능력을 지니는 다공성 막 구조의 음이온 교환 물질을 제조하였다. 다공성 음이온 교환막은 유체 수송과 이온 교환을 동시에 수행할 수 있는 특성 덕분에 장치에 간편하게 삽입되어 음이온 교환 물질 역할을 수행하는 것이 가능하다. 이에 따라, 연구팀은 양전하 입자 농축 장치를 간단한 삽입 및 조립 기반의 방법을 통해 구현할 수 있었으며, 이로써 기존 방법 대비 장치의 제작 과정이 크게 간소화됐다. 임근배 교수는 "다공성 음이온 교환막은 양전하 입자 관련 연구 분야의 활성화, 진보에 있어 주요한 역할을 할 것"이라며, "개발한 교환막의 높은 확장성을 고려했을 때, 진단 및 검출 분야와 더불어 오염 제어, 자원 회수 분야, 그리고 반도체 세정 분야에서도 성공적으로 활용될 수 있을 것"이라고 기대감을 드러냈다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 전기수력학(electrokinetics) 전기장이 인가된 유체 내 존재하는 대전 입자의 움직임, 대전 입자와 그들을 둘러싸고 있는 유체와의 상호 작용을 다루는 학문 분야 2. 염침출 특정 물질을 주조하는 과정에서 미세한 크기의 염입자를 첨가한 뒤, 주조 과정 이후에 염입자를 침출시켜 구조물에 미세 기공을 형성하는 방법

산경 송민석 교수팀, 삼성물산 손잡고 AI 기반 패션 추천 서비스 국내 최초 상용화

[머리부터 발끝까지 개성 살리는 스타일링 이제 'AI'로 척척] “고객님, 이런 옷은 어떠세요?” 오프라인 패션 매장을 방문하면 흔히 들을 수 있던 목소리다. 그러나 코로나19로 인해, 소비자들의 관심은 오프라인 매장에서 온라인 숍으로 대거 옮겨갔고, 고객들은 혼자 옷을 찾고, 골라야 했다. 고객들에게 좀 더 다가가는 온라인 숍을 만들기 위해 POSTECH과 삼성물산 패션부문(이하 삼성물산)이 손을 잡고, AI 기반 온라인 패션 큐레이션(추천) 서비스에 나섰다. 산업경영공학과 연구팀(송민석, 전치혁, 채민우 교수, 박사과정 이덕상, 황우현, 석사과정 박준현, 장영석 등)과 삼성물산은 지난 1년간의 연구 끝에 AI 패션 큐레이션 서비스 개발했다. 또한, 개발된 AI 서비스는 국내 최초로 상용화 단계까지 진입, 현재 삼성물산 패션부문 통합 온라인몰 SSF샵(www.ssfshop.com)에서 서비스되고 있다. 개발된 AI는 패션 전문가가 만든 스타일링을 학습하여 고객이 고른 옷과 가장 잘 어울리는 옷들을 추천한다. 기존 패션 AI는 고객이 함께 구매한 옷을 통계적으로 처리해 보여주거나 유사한 옷을 찾아주는 데 그쳤다면, 현재 개발된 AI는 고객이 상의를 고르면, 하의, 외투, 신발, 가방을 어울리는 스타일로 ‘머리부터 발끝까지’ 추천해준다. 연구팀은 패션 AI 학습을 위한 데이터셋 국산화에도 성공했다. 기존의 패션 AI는 학습을 위해 미국의 ‘폴리보어’, 중국의 ‘알리바바’ 등 해외 기업의 데이터에 의존해야 했다. 이렇게 학습된 AI는 우리나라의 패션 트렌드와는 거리가 있어, 상용화하기에는 어려움이 있었다. 이번 연구를 통해 연구팀은 상품 이미지 수십만장, 스타일 세트 백만여개로 이루어진 패션 AI 학습용 어울림 데이터셋을 생성했다. 데이터셋에 포함된 스타일 세트는 ‘에잇세컨즈’, ‘빈폴’, ‘구호’ 등 삼성물산의 자체 브랜드와 온라인 숍 입점 브랜드의 브랜드별 패션 전문가의 도움을 받아 구성되었다. 또한, 삼성물산의 자체 개발 시각지능 AI 엔진의 의류 속성 추출 기능, 의류 객체 탐지 기능을 활용하여 색상, 소재, 길이, 의류 객체 위치 등 다양하고 풍부한 정보를 포함했다는 특징이 있다. 이렇게 학습된 AI는 매일 삼성물산에서 판매되는 수십만벌의 의류에 대해 어울리는 스타일 세트 20개를 추천한다. 총 수백만 벌의 스타일 추천에 기존에는 30시간 이상이 소요되어 1일 단위 서비스가 불가능했으나, 연구를 통해 총 추천 소요 시간을 실시간 처리할 수 있게 단축한 한 점도 상기할 성과라고 할 수 있다. 연구팀이 개발한 AI는 여기서 멈추지 않고, 지속적으로 진화하고 있다. 매 시즌 변화하는 트렌드에 맞춰 새롭게 생성되는 데이터를 학습하고, 추천한 스타일에 대해 전문가들의 평가를 반영하여 또다시 발전한다. 향후, 전문가뿐만 아니라 개별 사용자의 평가 또한 반영할 계획이다. 뿐만 아니라, 이 AI는 모든 고객에게 동일한 스타일을 제시하지 않는다. 고객이 이전에 구매하거나 관심을 보인 옷들을 기반으로 개인화된 추천 서비스를 제공받을 수 있다. 삼성물산 패션부문의 IT혁신담당 조종현 그룹장은 “삼성패션만의 전문화된 데이터를 학습한 AI는 이제 상당한 수준의 스타일링 능력을 갖추고 있으며 머지 않아 나만의 AI 스타일리스트 도움으로 고객들이 편하게 쇼핑을 즐길 수 있도록 하는 것이 목표이다.”라고 말했다. 빠르게 변화하는 패션 시장에서 AI를 활용한 서비스는 점점 그 비중이 커지고 있으며, 기술력에서 POSTECH이 앞서나가고 있다. 이번 삼성물산과의 협업뿐만 아니라 POSTECH 출신 졸업생이 창업한 패션 AI 스타트업 ‘디자이노블(대표 신기영)’은 작년 ‘도전 K-스타트업’ 대상(대통령상)을 수상하고 미국 Nvidia Inception 프로그램에 선정되는 등 다양한 패션 AI의 분야에서 두각을 나타내고 있다. 이와 같은 변화의 흐름 속에서 앞으로도 POSTECH과 같은 AI 선도 대학과 패션업계의 협업은 더욱 가속화될 전망이다.

기계·화공 노준석 교수팀, 무거운 고글은 가랏! ‘초고굴절률 렌즈’로 엣지있게

[실리콘 원자구조 조절을 통한 가시광 손실없는 투명한 실리콘 개발] POSTECH 연구진이 우리가 물체의 색을 구별할 수 있도록 하는 가시광선을 투과시키는 투명한 비정질 실리콘을 발견함으로써 가상·증강현실 이미지를 실시간으로 보여주는 헤드마운트 디스플레이(HMD)도 종잇장처럼 얇은 안경렌즈로 볼 수 있는 토대를 마련했다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 양영환씨, 윤관호 박사 연구팀은 국내 디스플레이업체에서 많이 쓰고 있는 플라즈마화학기상증착방식(PECVD)을 개량해 가시광에서 투명한 비정질 실리콘을 개발했다. 또한, 개발된 투명한 비정질 실리콘을 통해 가시광 영역의 빛을 높은 효율로 조절하는 데 성공했다. 이 연구는 재료 분야 최상위 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 게재됐다. 빛은 굴절률이 높을수록 많이 휘기 때문에, 가상증강현실을 위한 디바이스를 설계할 때는 굴절률이 높은 물질이 필수적이다. 하지만 대부분의 고굴절률 물질은 빛을 흡수하는 경향이 있다. 이것을 초박막렌즈나 홀로그램과 같이 빛을 조절해서 이미지를 만드는 디바이스에 사용하면 성능이 떨어지는 현상이 나타났다. 지금까지 제시된 광학 소재들은 낮은 굴절률로 높은 투과율을 지니거나, 혹은 그 반대로 높은 굴절률에 낮은 투과율을 지니고 있어서 가볍고 효율이 높은 광학 디바이스를 만드는데 한계점이 있었다. 연구팀은 투명한 비정질 실리콘을 개발하기 위해 흔히 사용되고 있는 PECVD방식을 활용했다. PECVD로 실리콘을 증착하는 과정 중에서 온도, 압력, 플라즈마 세기, 수소비율 등 다양한 변수들을 하나씩 탐구했다. 그 결과 각 변수가 분자 간의 결합에 미치는 영향을 밝혀냈다. 또한, 불완전한 실리콘 원자결합 사이에 수소 원자를 삽입해 실리콘 원자간 규칙성을 높이는 방법을 찾아내고, 이를 통해 높은 굴절률을 지니면서도 상당한 투과율을 지니는 비정질 실리콘의 원자구조를 밝혔다. 뿐만 아니라 기존에 실리콘으로 조절할 수 없었던 빨강, 초록, 파랑색의 빛을 원하는 방향으로 회절시키는 데 성공했다. 투명한 비정질 실리콘은 기존 렌즈의 1,000분의 1수준인 초박막렌즈나 홀로그램 디바이스를 값싼 가격으로 만들 수 있다는 장점이 있다. 그동안 열적외선 카메라 등에서만 이용되던 비정질 실리콘을 가시광 영역에서 광소자로 활용할 수 있다는 점에서 실리콘의 사용 범위도 넓혔다. 연구를 주도한 교신저자 노준석 교수는 “눈에 보이는 모든 빛을 제어할 수 있는 광학 소자의 발견”으로 “지금껏 관심을 가지지 않았던 원자결합구조와 가시광영역의 연관성에 대한 실마리를 풀었다”라고 말했다. 또한, “모든 색을 조절할 수 있는 광소자를 값싼 가격에 생산할 수 있게 됨에 따라 영화에서만 보던 가상증강현실, 홀로그램 기술이 상용화에 더 가까이 가게 되었다”며 기대감을 드러냈다. 한편, 이 연구는 삼성미래기술육성사업, 과기부 중견연구자지원사업, 과기부 글로벌프론티어사업, 과기부 RLRC선도연구센터사업, 과기부 미래소재디스커버리사업, 현대차정몽구장학금, 한국연구재단 학문후속세대 양성사업의 지원으로 수행됐다.

생명 이승우 교수팀, 장내세균 꼼짝 말라!

[장 상피 면역세포 분화 메커니즘 최초 규명] 우리 몸에서 가장 많은 면역세포는 장(intestine)에 살고 있다. 장은 장내 공생세균과 음식물 등 다양한 항원에 노출되는 공간으로 상황에 따라 적절한 면역반응을 유도해야 한다. 생명과학과 이승우 교수, 박사과정 문숙진 씨, 연구교수 박윤지 씨 연구팀은 장상피세포에 의한 T세포(intraepithelial lymphocyte, IEL) 분화 조절 메커니즘을 최초로 밝혔다. 이 성과는 올해로 125주년을 맞은 면역학 분야의 권위지인 ‘실험의학저널(Journal of Experimental Medicine, JEM)’에 최근 게재됐다. 장 조직 면역세포 중에서 상피층에 거주하는 IEL는 우리 몸과 밖을 한 층의 상피세포 경계를 두고 대치하는 세포이다. 즉 IEL은 우리 몸에서 가장 최전선에 위치하는 면역세포로서 항상 만날 수밖에 없는 공생세균 등과 접촉하면서 면역반응을 조절하고 있다. 따라서 IEL의 적절한 분화는 장내 면역항상성 조절에 매우 중요하다. 그러나 IEL이 장상피세포층 내에서 어떻게 분화되는지 정확한 메커니즘은 알려지지 않았다. 연구팀은 IEL이 소장 말단부위에 특히 많이 존재한다는 점에 착안하여, 소장 말단에서 특이적인 환경요인을 조사했다. 이를 통해 소장 말단의 장내 공생세균에 의해 IEL의 거주지를 구성하는 장상피세포가 주조직 적합성 복합체 클래스 II (MHC II) 및 1형 세포예정사 리간드 (PD-L1)를 더 많이 발현함을 밝혔다. 장상피세포는 이들 분자를 통해 장상피세포층 내로 들어온 T세포에 각각 항원 특이적 T세포 수용체 (TCR) 자극과 세포예정사 단백질 (PD-1) 자극을 제공해 IEL로의 성숙을 유도했다. 특히 PD-1 자극은 CD4 T세포의 마스터 조절인자인 ThPOK의 발현을 억제하여 CD4 T세포가 IEL로 성숙하도록 유도했는데, 이는 기존에 보고된 적 없는 PD-1 자극의 새로운 역할이다. 이 연구는 기존의 면역학 교과서에 등장하는 개념인 ‘전문항원제시세포로부터의 TCR 자극 및 보조자극에 의한 T세포 분화’가 전문항원제시세포가 아닌 조직세포에 의해서도 일어날 수 있음을 보여준다. 또한, 하나의 소장 내에서도 소장 근위부와 원위부간에 장내 공생세균과 같은 환경요인으로 인해 장상피세포의 분자 발현이 매우 다르며, 이것이 소장 각 위치의 면역세포 조절에 중요한 역할을 함을 시사한다. 이승우 교수는 “장상피세포가 CD4 IEL을 만들어 상피세포 층에 배치함으로써 장내세균 침입을 억제하는 것은 특수요원을 양성해서 작전지역에 배치하는 것과 유사하다”며, “T세포 분화가 장상피세포에 의해서도 일어난다는 것은 장뿐 아니라 우리 몸의 대부분 조직에도 적용할 수 있어 조직세포의 역할 연구에 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 선도연구센터사업 이학 분야(Science Research Center, SRC)인 오가넬네트워크연구센터와 중견연구의 지원으로 수행됐다.