Research

기계·화공 노준석 교수팀, 언제 어디서든 홀로그램 영상을 영화처럼

[다중 궤도 각운동량 메타표면을 이용한 대용량 동영상급 홀로그래픽 저장 장치 개발] 영화 아이언맨의 주인공 토니 스타크는 로봇을 만들 거나 수리할 때 공중에 영상을 띄워놓고 관찰하는가 하면, 심지어 영상을 확대하거나 조정하기도 한다. 이런 ‘홀로그램’은 가상현실이나 증강현실 기술이 구현되면서 게임이라든지 놀이, 체험의 형태로 우리 실생활에서도 쉽게 만나볼 수 있게 됐다. 하지만 영화와 달리 현실은 아직 갈 길이 멀다. 공중에 떠 있는 3차원 영상과 이미지를 보기 위해서는 커다란 안경을 끼거나 특정한 장소에 가야만 한다. 아이언맨 속 토니 스타크처럼 원하는 곳에서 언제든지, 혹은 움직이면서도 홀로그램을 보는 것이 가능할까? 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 화학공학과 통합과정 장재혁씨 연구팀은 뮌헨대학교(Ludwig Maximilian University of Munich) 스테판 마이어(Prof. Stefan Maier) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 궤도 각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM) 메타표면을 이용한 대용량 홀로그래픽 저장 장치를 구현했다. 이 연구결과는 나노기술 분야 권위지인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)‘ 9월 21일자 온라인판에 게재됐다. 홀로그램은 홀로그래픽 장치에 저장된 3차원 입체정보가 공간상에 구현된 이미지로, 이 3차원 입체정보는 빛의 간섭현상을 이용한 홀로그래피 기술을 통해 주로 저장장치에 기록된다. 연구팀은 직접 물체를 놓고 간섭을 기록하는 기존의 아날로그 홀로그램 저장방식을 벗어나 컴퓨터로 간섭을 계산하고 매질에 직접 저장하는 ’디지털 홀로그래픽‘ 기술에 주목했다. 특히, 연구팀이 집중한 디지털 홀로그래픽 저장 장치는 머리카락보다 천배 가까이 얇은 나노 구조체들이 주기적으로 배열된 메타표면을 이용하여 구현 가능하며, 이 메타표면은 빛의 특성을 다양하게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 때문에 메타표면을 이용한 홀로그래픽 저장 장치는 빛의 주파수, 회전 상태, 혹은 편광에 따라서 다른 홀로그램을 만들어낼 수 있다. 하지만, 이제까지 보고된 방식들엔 저장된 정보를 독립적으로 분리해낼 수 없는 이론적 한계가 존재해 정보의 양을 획기적으로 늘릴 수는 없었다. 이에 연구팀은 궤도각운동량(軌道角運動量)*1을 정보 전달 매개체로 하는 기기 한 대로 무한대에 가까운 홀로그램 영상을 생성해낼 수 있다는 가설을 세웠다. 이를 검증하기 위해 총 202개의 홀로그램 이미지를 2개의 다른 초점거리에 복원시킬 수 있는 메타표면 기반 홀로그래픽 동영상 저장장치를 구현하는데 성공했다. 광원의 궤도각운동량을 순차적으로 바꿔주게 되면 두 개의 홀로그램 비디오가 서로 다른 공간상에 재생되는 것을 확인했다. 이는 기존 메타표면 홀로그래픽 저장 장치에선 불가능했던 것으로, 연구팀은 영화표준에 준하는 초당 25 프레임의 홀로그램 영상을 재생하는 데 성공했다. 한편, 이 메타표면 홀로그래픽 저장 장치는 레이저를 이용한 나노 공정 (Direct Laser Writing)으로 제작되었기 때문에 기존 전자빔 리소그래피를 이용한 공정보다 훨씬 값싸고 넓은 면적으로 제작이 가능하다. 나노광학, 마이크로·나노 공정분야의 선도적인 연구를 진행해오고 있는 노준석 교수는 “기존 메타표면 홀로그래픽 장치의 저장 용량을 획기적으로 증가시켜, 최고 용량의 메타표면 디지털 홀로그래픽 저장장치를 구현함으로써 더 작은 장치로 더 많은 정보를 저장할 수 있게 됐다”라며 “가상·증강 현실을 위한 3차원 홀로그램이나 홀로그래픽 비디오를 구현하거나 아주 높은 보안 수준을 가지는 위변조 방지 기술 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다. 한편, 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 글로벌프론티어, RLRC 지역혁신선도연구센터, 미래소재디스커버리, ERC 선도연구센터, 한-독(DAAD) 하계연수 그리고 교육부 한국연구재단 박사과정생 연구지원 장려금, 현대차정몽구장학금의 지원으로 수행됐다. 1. 궤도각운동량 회전하는 물체의 회전 운동의 세기(회전운동량). 전기장의 공간분포에 의해 결정되는 빛의 각운동량의 성분으로, 빛의 진행축을 원점으로 생기는 나선형의 파면에 따라 그 값이 결정된다.

환경 민승기-유영희 교수팀, 당신의 “미세먼지 체감도”는 얼마나 정확합니까?

[빅데이터 이용한 대중의 대기질 인지 분석] 이제 미세먼지를 확인하는 것은 날씨를 확인하는 일만큼이나 일상이 됐다. 미세먼지에 장시간 노출되면 기침, 천식, 기관지염 같은 호흡기 질환이나 피부질환, 안구질환 등 각종 질병을 앓을 수 있다. 그런 우려 때문에 미세먼지 농도가 나쁨 이상이면, 마스크를 끼거나 야외활동을 멀리하게 된다. 그렇다면 사람들은 대기질이 좋고 나쁘다는 것을 어떻게 느낄까? 또, 사람들이 느끼는 대기질의 오염 정도는 실제와 얼마나 다를까? 환경공학부 민승기 교수, 유영희 연구교수팀은 구글과 네이버에서 검색한 검색량 데이터를 이용하여 대중이 어떻게 대기질의 심각도를 인지하고 있는지, 또 실제 관측된 대기오염 농도와 어떻게 다른지를 밝혀내 ‘환경연구회보(Environmental Research Letters)’ 최신호를 통해 발표했다. 지금까지 대기질 인지도에 대한 연구가 이루어지긴 했지만 대부분 설문조사를를 통한 조사연구로 표본 집단의 크기 및 성격에 제약을 받았다. 또한, 실시간으로 이를 진행할 수 없어 과거에 이미 일어난 사례에 대해 대중의 대기질에 대한 인지도를 심도 있게 이해하는 데 한계가 있었다. 실제 우리나라 대기오염물질 PM10*1 (이하 미세먼지) 농도는 감소하고 있는 추세이나 대중이 체감하는 대기질은 이 추세를 반드시 따르지 않는다 (그림 1). 사실 2012년 이전 미세먼지라는 단어는 대중에게 거의 사용되지 않았다 (미세먼지라는 검색어로 구글에서 검색한 검색량 데이터가 2012년 이전에 거의 없음, 그림 1 회색 음영). 이에 연구팀은 왜 2013년 겨울철에서 2014년 봄철 사이에 미세먼지 검색량 데이터가 갑자기 증가했는지를 파악하기 위해서, 검색량 데이터를 기반으로 미세먼지 농도, 가시거리, 망각의 쇠퇴 이론*2을 적용하여 대중의 대기질 인지도(air quality perception index)를 시뮬레이션할 수 있는 모형을 개발했다. 그 결과, 대기질 인지도는 미세먼지 농도뿐만 아니라 가시거리, 과거 경험에 기반한 기억의 쇠퇴 지수, 그리고 며칠간 기억한 대기질 인지도를 누적한 값에 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉, 대중이 체감하는 대기질은 그날의 미세먼지 농도와 가시거리뿐만 아니라 며칠 동안 경험한 대기질에 영향을 받는다. 만약 나쁜 대기질이 며칠 동안 지속되는 상황이면 대중은 대기질이 매우 나쁘다고 인지할 수 있다. 특히, 2014년 2월 하순에 7일 동안 발생한 고농도 미세먼지 사례를 기점으로 대중의 대기질에 대한 인식이 크게 높아졌다. 대기질에 대한 인식이 낮았던 과거에 대해 경험 모형을 적용한 결과, 대중이 인지하는 대기질은 2013년~2014년에 가장 나빴던 것으로 나타났다(그림 2). 그러나, 2013년~2014년에 관측된 평균 미세먼지 농도는 실제로 그리 높지 않았다 (그림 1). 이는 대기질에 대한 인식이 낮았을 때 대중은 감각적 정보인 가시거리에 더 의존해 대기질을 가늠하기 때문으로 해석된다. 이 사례 이후 대기질에 대한 인지도가 높아져 대중은 가시거리보다 관측된 미세먼지 지수에 더 기반하여 대기질을 인지하는 것으로 나타났다. 이 연구는 대중이 느끼는 미세먼지 심각도가 실제 관측된 농도와 어떻게 다를 수 있는지를 보여준다. 미세먼지가 인체에 악영향을 주는 것은 사실이지만 체감하는 대기질 역시 건강에 악영향을 줄 수 있다. 대기질을 나쁘게 느끼면 우울감 상승, 천식 증상 악화 등 심리적 악영향을 미친다는 연구 결과도 있다. 유영희 교수는 “이번 연구결과는 대중의 미세먼지 인지도 변화를 이해하고 예측하는데 활용할 수 있다”며 “특히 여러 날에 걸쳐 대기질이 나쁠 것으로 예상될 때, 보다 적극적으로 오염물질 배출을 규제하는 정책을 고려해 볼 수 있을 것이다”고 설명했다. 민승기 교수도 “이 연구는 미세먼지에 대한 대중 인지도의 변화를 빅데이터를 활용해서 정량적으로 평가한 첫 연구”라며 “실제 측정된 대기질과 대중이 인지하는 대기질의 심각도가 어떻게 다른지를 안다면, 이를 바탕으로 더 효율적인 대기질 개선 정책을 수립하는 데 도움이 될 것이다”라고 설명했다. 한편, 이 연구는 기상·지진See-At기술개발연구 사업의 일환으로 수행됐다. 1. PM10 지름이 10㎛(마이크로미터, 1㎛=1000분의 1㎜) 이하의 먼지로 미세먼지라고도 함 2. 망각의 쇠퇴 이론 (decay theory of forgetting) 시간의 지남에 따라 인간이 기억을 잃는다는 이론

화공 차형준 교수팀, 홍합이 항체와 만나 암을 치료한다

[홍합단백질 활용한 혁신적 국소 항암 면역치료기술 개발] 면역치료요법(immunotherapy) 중 항체치료는 인공적으로 만든 항체를 인체에 투여하여 면역체계를 조절해 치료하는 방법이다. 항암치료에서는 암세포를 공격하는 면역세포를 더욱 활성화해 효과를 높일 수 있어 선진적인 항암치료법으로 알려져 있다. 특히, 항암 면역치료제는 현재 전 세계적으로 진행 중인 임상 시험만 1600여 건이 넘을 정도로, 항암 면역치료 신약의 개발은 차세대 핵심 분야로 각광을 받고 있다. 하지만, 정맥주사로 온몸에 투여하도록 하는 기존 기술은 많은 양의 항체를 지속적으로 투여해 정상 세포나 조직에 부작용을 일으킬 수 있다. 특히 많은 양의 항체가 한 번에 방출되면 과도한 면역반응을 일으켜 자가면역질환을 불러올 위험도 있다. 표적 부위만을 골라 치료하는 국소 치료는 혈액 등에 의해 대부분의 항체가 표적 부위 밖으로 흘러나가며 너무 적은 항체만 남게 되어 치료효율이 크게 떨어지는 문제를 지니고 있었다. 화학공학과 차형준 교수, 주계일 연구교수, 정연수 박사 연구팀은 생명과학과 임신혁 교수, 황성민 박사 연구팀과 함께 수중환경에서도 강한 접착력을 가진 홍합접착단백질을 면역관문억제제(immune checkpoint inhibitor)로 사용되는 항체에 연결하여 표적 부위에 효과적으로 항체를 전달할 수 있는 혁신적인 항암 면역치료 플랫폼인 이뮤글루(imuGlue)를 개발했다. 이뮤글루는 수분이 많은 체내 환경에서도 표적 부위에 치료용 항체를 장기간 머물 수 있게 하고, 암세포가 있는 환경에 선택적으로 반응하여 항체를 방출함으로써 항암 면역치료의 효율을 극대화하고, 전신 치료의 부작용을 현저히 낮출 수 있다. 또한, 화학치료요법에 사용하는 약물과 같은 면역조절물질(immunomodulator)과의 병합치료(combination therapy)로 사용함으로써 시너지 효과를 통한 높은 효율의 항암 면역치료도 가능하다는 사실을 확인했다. 이번에 개발된 국소적 항암 면역치료제는 다양한 치료용 항체를 손쉽게 연결할 수 있을 뿐 아니라, 점액 분비가 많은 점막이나, 체액, 혈액이 많은 체내의 수중환경에서도 섞이거나 특성이 사라지지 않는 장점이 있다. 이 때문에 주사뿐만 아니라, 스프레이로 분사하는 방식 등 획기적인 치료법에도 활용할 수 있어 항암 면역치료제 시장에서도 선도적인 위치를 점할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “이번 연구는 홍합접착단백질을 이용한 최초의 면역치료법”라며, “혁신적인 치료용 항체 전달 플랫폼으로 다양한 면역치료에 성공적으로 활용할 수 있을 것”이라고 기대감을 드러냈다. 바이오소재 분야 권위지인 ‘바이오머티리얼스 (Biomaterials)’에 게재된 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 창의도전연구기반지원사업, 그리고 해양수산부의 해양바이오산업신소재연구단사업의 일환으로 수행됐다.

화공 이정욱-정규열 교수팀, 코로나19 진단 ‘원스텝’으로 30분만에

- 이정욱‧정규열 교수팀, 신종 전염병 RNA 진단법 개발…PCR 수준 정확도 - 1주일 내에 신종 전염병 검출방법 개발 가능…신종 전염병 혼란 “막는다” 2020년은 ‘코로나19’라는 단어 하나로 모든 것이 표현될 정도로, 코로나19의 확산은 전 세계를 얼어붙게 했다. 지금은 8개월 이상 국가 간의 이동이 막히며 개인적인 교류부터 공적인 방문까지 전면적으로 멈췄다. 뚜렷한 예방책과 치료법이 없는 데다 진단에도 오랜 시간이 걸리기 때문이다. 우리나라의 경우에도 해외에서 입국한 사람 중 확진되는 사례가 많은데, 공항에서 바로 검사를 진행할 수는 없는 상황이다. 해외 입국자는 증상이 없으면 입국 후 자가격리지에서 가까운 선별진료소를 방문해 스스로 검사를 받아야 한다. 이마저도, 선별진료소가 문을 닫으면, 다음날 방문하는 수밖에 없다. 자연히 이탈 등의 우려가 발생한다. 공항에서 바로 진단해 감염자를 즉각 분류할 방법이 있다면 어떨까? 화학공학과 이정욱 교수‧박사과정 우창하씨, 정규열 교수‧장성호 박사 공동연구팀은 바이러스가 가진 RNA 서열을 바탕으로 누구나 쉽게, 신속하게 코로나19를 진단할 수 있는 SENSR(SENsitive Splint-based one-pot isothermal RNA detection) 기술을 개발했다. 이 기술은 단 30여분 만에 감염 여부를 진단할 수 있어, 진단이 한 곳에 몰리는 피로도를 낮출 수 있을뿐더러, 감염자의 접촉을 최대한 줄일 수 있다. 무엇보다 가장 큰 장점은 코로나19 이외의 새로운 전염병이 발생하더라도 1주일 이내에 진단키트를 만들어낼 수 있다는 점이다. 현재 코로나19 진단에 활용되는 PCR 분자진단법은 아주 높은 정확도를 가지고 있지만, 바이러스를 추출하거나 정제하는 복잡한 준비과정이 필요하다. 숙련된 전문가는 물론 고가 장비가 필요해 공항이나, 드라이브스루 등 현장은 물론 작은 농어촌 지역에서 활용하기는 적합하지 않다. RNA는 유전자 정보를 매개하거나 유전자의 발현 조절에 관여하는 핵산으로, 연구진은 코로나19 RNA가 있는 경우에만 핵산 결합반응이 일어나 형광이 나오도록 설계했다. 그래서 아무 준비과정 없이도 샘플 채로 바로 바이러스 여부를 검출할 수 있는 데다 시간은 짧으면서도 민감도가 높아 실시간으로 현재 활용 중인 PCR 진단법 수준의 정확성을 갖는다. 연구팀은 이 기술을 활용해 실제 환자 샘플에서 30여분만에 코로나19의 원인인 SARS-CoV-2 바이러스 RNA를 검출해냈다. 이외에도 5가지 병원성 바이러스와 박테리아 RNA를 검출해, 코로나19 외에도 다양한 병원균 검출에 활용할 수 있음도 입증했다. 또 반응물 조성이 간단해 휴대가 간단하고 사용하기 쉬운 형태로 개발할 수 있다는 것 역시 큰 장점이다. 이 방법을 도입하게 되면 선별진료소에 가거나, 입원하기 전에 이송 현장에서 바로 감염 여부를 확인할 수 있을 뿐 아니라, 중앙집중화된 지금의 진단 체계를 보완해 코로나19에 더 적극적으로 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 이정욱 교수는 “이 기술은 RNA를 정확하게 검출할 수 있는 기술로 환자의 시료에서 별도의 처리 없이도 감염 여부를 진단할 수 있는 빠르고 간단한 방법”이라며 “앞으로 코로나19 외에 다른 새로운 전염병이 나오더라도 1주일 이내에 이에 대한 진단키트를 설계하고 제작할 수 있어 미래의 전염병에도 대비할 수 있다”고 말했다. 정규열 교수는 “병원성 RNA를 정확하고 민감하게 검출할 수 있는 데다 현장에서 바로 확인할 수 있다는 점에서 학계는 물론 산업계의 주목을 모으고 있다. 지금의 진단 체계를 보완해 코로나19 팬데믹에 대응하는 데 기여할 수 있길 바란다”고 설명했다. 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering) 18일자(현지시간)를 통해 발표된 이 연구는 한국연구재단의 C1 가스리파이너리 사업, 신진연구사업과 한국에너지기술평가원의 에너지인력 양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

컴공 홍원기 교수팀, 개발 화상회의 솔루션 학교에 무상제공

[보안성 우수, 학습확인 가능한 Vmeeting 개발…“비대면 수업 질 제고 기여”] 코로나19가 전 세계로 확산한 지도 8개월이 지났다. 각급 학교는 ‘사회적 거리두기’에 따라 비대면 수업을 진행했으나, 갑작스러운 준비로 인하여 다소간의 혼란이 있었다. 이때 특정 외국 화상회의 솔루션이 급하게 사용되고 있지만, 해킹과 보안에 취약하다는 우려가 나오고 있는 실정이다. 또, 자유롭게 사용하기 위해서는 적지 않은 비용을 부담해야 하는 단점이 있다. POSTECH은 보안성을 높인 새로운 화상회의 솔루션 ‘Vmeeting’을 개발, 사용을 원하는 각급 학교에 무상으로 제공한다고 밝혔다. 올 초, 컴퓨터공학과 홍원기 교수 연구실에서 비대면 강의 전면 실시와 함께 외산 솔루션보다 안정적이고 편리한 화상회의 솔루션을 개발하기 시작했고, 2학기 시작과 함께 Vmeeting을 구성원에게 먼저 공개했다. Vmeeting의 가장 큰 장점은 보안성이다. 모든 정보가 암호화되기 때문에 안전하게 사용할 수 있어 해킹 등에 취약했던 기존 솔루션의 큰 단점을 해결했다. 또 기존에는 없었던 학습자별 연결상태와 접속자를 확인할 수 있도록 해 교사들의 편의성을 높인 것이 눈길을 끈다. 또, 최대 동시접속자 수는 1,000명까지 가능하다는 점도 장점으로 꼽힌다. (비교 대상인 Z는 최대 500명) POSTECH은 지난 2월부터 갑자기 온라인 강의를 준비하는 어려움을 겪는 대학들에 MOOC(온라인 공개 강좌) 57개 강좌를 국내외 모든 대학에 무료로 공유하고 있다. 홍원기 교육혁신센터장은 “코로나19 확산으로 많은 학교가 화상회의 솔루션을 이용해 수업에 나서고 있지만, 주로 활용 중인 외산 솔루션의 경우 보안 문제가 가장 큰 걱정거리로 대두됐고, 제대로 활용하려면 학교에서 적지 않은 비용을 부담해야 했다”며 “POSTECH이 개발한 이 솔루션을 바탕으로 언택트 시대에 부응하면서 학생들의 역량을 길러줄 수 있는 강의의 질을 제고할 수 있기를 바라며 솔루션을 무상으로 제공하게 됐다”고 밝혔다. Vmeeting은 컴퓨터와 iOS와 안드로이드를 사용하는 모든 스마트폰에서 사용할 수 있으며, 활용을 원하는 학교는 POSTECH 홍원기 교수 연구실(vmeeting-info@postech.ac.kr)로 연락하면 된다.

화공 조길원 교수팀, 손가락 까딱하면 통증이 사라져요!

[POSTECH-울산대학교, 움직임 따라 온도·색 변하는 스마트 온열 패치 개발] 스마트폰 등 디지털 기기가 필수품을 넘어 현대인의 생활 전반을 지배하면서 손가락 끝과 목 뒤가 뻐근해지거나, 거북목 증후군, 목 디스크 등 소위 ‘스마트폰 증후군’을 호소하는 사람이 늘고 있다. 특히, 손가락이나 손목에 생기는 관절질환은 손을 사용해서 생기는데 관절 손상이 심할 경우 손가락 변형까지 올 수 있어 방치하면 안 된다. 이럴 때 간단한 운동이나 온열치료가 도움이 된다. 손가락의 움직임만으로 치료가 된다면 어떨까. 화학공학과 조길원 교수, 이기원 박사 연구팀은 울산대 화학과 이승구 교수와의 공동 연구를 통해 움직임에 의해 발생하는 열을 조절하고, 이 열을 색으로 나타내는 온열치료용 스마트 헬스케어 패치 개발에 성공했다. 연구팀은 표면 미세 주름을 가진 얇은 고분자 탄성체 기판 위에 은나노와이어를 프린팅하고, 그 위에 열에 의해 색이 변하는 염료가 분산된 탄성 복합 소재를 코팅하여 신축성 있는 스마트 패치를 구현했다. 이 스마트 패치는 움직임에 의해 기판의 주름 구조가 변형돼 전기 저항이 증가하고, 이에 따라 열이 많이 발생한다. 한편, 온도가 변함에 따라 다양한 색상을 띤다는 특징이 있다. 또한, 얇기 때문에 관절에 부착하면 관절의 움직임에 따라서 쉽게 변형이 가능하다. 스마트 패치를 손가락과 손목 관절에 부착해 움직임과 열 변화를 관찰한 결과, 관절을 굽혔을 때 열을 발생시켜 손상된 조직의 수축·이완을 돕는 것을 확인했다. 특히, 피부에 가해지는 온도가 색으로 나타나기 때문에 온도를 눈으로 확인할 수도 있었다. 이렇게 사용자가 눈으로 직접 온도변화를 확인할 수 있어 피부의 저온 화상 등 부작용을 예방할 수 있다는 장점도 있다. 조길원 교수는 “이번에 개발된 열 변색형 스마트 패치는 사용자의 움직임에 따라 표면 온도와 색상이 변하는 것이 특징이다”며, “전자 피부, 휴먼-머신 인터페이스, 헬스케어 등 차세대 인공전자 피부 분야에 활용될 것으로 기대한다” 고 말했다. 한편, 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’ 지원으로 수행한 이번 연구성과는 세계 최고 권위의 재료과학 분야 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’지 최신호 표지논문으로 게재됐다.

인공지능대학원, 비오는 날에도 ‘잘 구별하는’ AI영상인식 시스템 개발

[악조건 속에서도 인식할 수 있는 영상증강 모델 제안] 최근 영상 인식 기술이 발전하면서 CCTV나 블랙박스로 범죄나 사고를 확인하고 범인을 잡는 일이 늘어나고 있다. 또 자율주행 자동차나 전투기 등의 전면 디스플레이에 영상 인식 기술이 적용되면서 외부 환경을 빠르게 인식하고 대응하기도 한다. 그런데 비가 오거나 눈이 오면 어떻게 될까. 세계 최고 수준의 컴퓨터비전 국제학술대회인 '유럽 컴퓨터비전 학술대회 2020(16Th European Conference on Computer Vision, ECCV)'에서 POSTECH 연구팀이 이런 악천후 상황에서도 영상 인식 모델들이 강인하게 동작할 수 있도록 돕는 새로운 영상 증강 모델을 소개했다. 딥러닝의 발전에 힘입어 영상 인식 기술 또한 상당한 수준에 이르렀다. 그러나 현실에서 종종 마주하는 우천, 폭설, 안개, 그리고 카메라의 저노출, 과노출, 잡음 등의 악조건 속에서는 인식률이 현저히 하락한다. 이는 실세계에 적용되는 영상 인식 기술들의 신뢰성을 떨어뜨리며, 특히 자율주행 자동차와 같이 안전과 직결된 응용 분야들에서 큰 문제가 된다. 인공지능대학원의 곽수하, 조성현 교수, 그리고 컴퓨터공학과의 손태영, 강주원, 김남엽 통합과정 학생으로 구성된 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 영상 인식 인공지능 모델들에게 안경과도 같은 역할을 하는 영상 증강 모델을 개발하였다. 이 모델은 기존의 다양한 영상 인식 모델들의 앞에 부착되어 각종 악조건으로 인해 손상된 입력 영상을 인식하기에 적합한 형태로 변화시킨다. 또한 다양한 오염의 원인을 효과적이고 효율적으로 다룰 수 있도록 설계됐고, 어떠한 영상 인식 문제와 모델 구조에도 적용될 수 있도록 학습된다. 연구팀은 실험을 통해 제안하는 모델이 영상 분류에서부터 물체 검출 및 분할에까지 이르는 다양한 영상 인식 모델들의 인식률과 신뢰성을 높이고, 현존하는 영상 개선 모델들과 비교하여 그 효과가 월등히 뛰어나다는 것을 확인했다. 특히, 이 모델은 영상 인식 시스템을 변경할 필요 없이 그 앞에 부착되어 성능을 높이기 때문에 기존 인식 모델들을 재학습하지 않아도 된다는 장점이 있다. 이 영상증강 모델은 다양한 악조건에서도 정확한 영상 인식을 수행할 수 있게 한다. 이는 인공지능 기술이 실제 생활에 응용될 가능성을 보여준다. 특히 자율주행 자동차나 낮은 성능의 카메라 시스템에서 촬영된 영상에서도 신뢰성 있는 영상 인식이 가능케 할 수 있다. 한편, ECCV는 인공지능 및 컴퓨터비전 분야 최우수 국제학술대회 중 하나로, 지난달 23일부터 28일까지 온라인으로 개최됐다. 이 연구는 삼성전자 미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다.

화학 박수진 교수팀, 200번 늘였다가 줄여도 끄떡 않는 배터리

- POSTECH-UNIST, 야누스 전극 이용해 연신성 아연-은 이차 전지 개발 - 하나의 전극에 양극과 음극이 공존...고무줄 같은 배터리 실현 가능성 열어 이제는 IT 기술을 몸에 착용하는 시대가 왔다. 통화, 문자를 송수신할 수 있는 스마트 워치에서부터 운동량이나 심박수를 측정해주는 바이오 센서, 약물이나 호르몬을 조절해주는 스마트 패치, 정보통신과 헬스케어 기능을 실시간으로 수행할 수 있는 스마트 의류 등 다양한 기능을 심은 기기들을 옷이나 안경, 시계와 같은 형태로 몸에 착용할 수 있게 됐다. 하지만 여전히 웨어러블 기기는 신체의 움직임에 따라 변형되는 부분의 불안정성과 이에 맞춰 다양한 형태에 적용될 수 있는 배터리가 없다는 것 때문에 아직은 일부 형태에 머물러 있다. 화학과 박수진 교수, 송우진 박사(현.충남대학교 유기재료공학과 교수), 박사과정 이상엽씨 연구팀과 UNIST(울산과학기술원) 송현곤 교수, 황치현 박사 연구팀이 공동연구를 통해 하나의 전극에 양극과 음극이 동시에 존재하는 ‘야누스 페이스 전극(Janus-faced electrode)’을 이용해 늘여도 성능이 유지되는 배터리를 제작하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 최근 소개됐다. 다양한 신체 움직임 아래에서도 화재나 폭발의 위험이 없고, 착용감이 뛰어난 웨어러블 전자기기를 구현하기 위해 변형된 형태에서 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 배터리를 개발하는 것은 연구자들의 오랜 도전 과제이다. 수계 전해질을 기반으로 한 아연-은 전지(zinc-silver battery)는 우수한 출력과 에너지 밀도, 안전성을 보여 웨어러블 기기의 전원 소자로 사용되기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그러나 아연-은 배터리를 웨어러블 기기에 적용하기 위해서는 우수한 신축성과 전지의 안정적인 수명을 동시에 보장할 수 있는 새로운 전극의 도입이 필요한 상황이다. 이에 연구팀은 마치 두 개의 얼굴을 가진 로마신화의 신 ‘야누스’처럼 양극과 음극이 한 전극에 구성된 ‘야누스 페이스 전극’을 사용하여 연신성(延伸性, 늘어나는 성질) 아연-은 이차 전지를 개발했다. 야누스 페이스 전극은 우수한 물성(200% 연신 조건에서 200번의 반복적인 연신, 수축 과정) 및 연신 상황에서도 뛰어난 전기 전도도(100% 연신 조건에서 2.1 Ω)를 보였다. 또한, 야누스 페이스 전극의 독특한 구조적 특성으로 인해 아연의 수지상 성장 및 내부 단락을 예방할 수 있었으며, 그 결과 야누스 페이스 전극을 기반으로 제작한 연신성 이차 전지는 우수한 수명 특성(200번의 충·방전 사이클 후 초기 용량의 90% 유지)을 보였다. 더욱이, 이번 연구를 통해 개발한 연신성 전지는 200%의 연신 조건 아래에서도 신축성 전원 소자로서의 역할을 안정적으로 수행했다. 그간 다양한 접근으로 늘어나는 배터리를 연구해온 박수진 교수는 “이번에 개발된 연신성 아연-은 배터리는 높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능을 보인다”며 “배터리 분야뿐만 아니라 다양한 웨어러블(wearable) 기기에 적용된다면 ‘입는 컴퓨터 시대’가 올 것”이라며 기대감을 드러냈다. 한편, 이번 연구는 소프트 일렉트로닉스연구단 글로벌 프론티어사업, 한국연구재단 창의도전연구과제의 지원으로 수행됐다.

신소재 이동화 교수팀, “태양이 싫어” 햇빛 알아서 피하는 똑똑한 창문 나온다

[신개념 스마트 윈도우용 신소재 개발] 햇볕이 쨍하게 내리쬐는 날에는 유리창이 어두워지고, 흐린 날에는 알아서 밝아지는 창문이 있다면 어떨까. 커튼이나 블라인드도 필요 없고, 조명을 따로 조절할 필요도 없을 것이다. 이런 ‘똑똑한 창문’은 꾸준하게 연구되고 있지만, 실제 사용되기에는 기술적인 한계가 있다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 햇빛이 투과하는 양을 직접 조절할 수 있는 신소재를 발견했다. 신소재공학과 이동화 교수, 이준호 박사 연구팀이 제일원리(First-principles) 계산을 사용해 구리(Cu)를 바탕으로 하는 페로브스카이트 물질이 상전이 온도의 조절이 쉬우면서, 저온에서 높은 광(光) 투과율을 가지는 신소재로 사용될 수 있음을 제시했다. 이 연구성과는 화학 분야 권위지인 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 최근 게재됐다. 스마트 윈도우는 외부 온도에 따라 광 투과율이 자발적으로 조절돼 건물의 냉난방 비용을 절감할 수 있는 친환경 기술로 주목받고 있다. 금속-절연체 상전이 물질은 이러한 기술에 적합한 물질로, 높은 온도에서는 금속(낮은 투과율)으로, 낮은 온도에서는 절연체(높은 투과율)로 존재하는 물질이다. 지금까지 스마트 윈도우용으로 사용하는 이산화바나듐(VO2)의 경우, 상전이 온도가 너무 높고, 절연체 상태에서의 광 투과율이 너무 낮아 에너지 절감효율이 낮은 단점이 있다. 즉, 스마트 윈도우에서는 상온에서 상전이가 발생해야 하므로 비교적 낮은 밴드 갭(band gap)*1이 필요하지만, 낮은 밴드 갭은 저온에서 광 투과율을 감소시킨다는 모순이 존재한다. 이에 연구팀은 스핀이 분극된 밴드 갭(spin-polarized band gap)을 가지는 물질은 선택 규칙(selection rule)에 의해 광 투과율에 영향을 주지 않을 것이라는 가설을 세웠다. 이 경우 기존 소재의 모순점을 해결 할 수 있을 것으로 판단하고, 이를 검증하기 위해 제일원리 계산을 통해 연구를 수행했다. 계산 결과, 구리 기반 층상 할라이드 페로브스카이트가 스핀 분극된 밴드 갭을 가지고 있고, 이러한 밴드 갭은 광 투과율에 어떠한 악영향도 주지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 스핀 분극된 밴드 갭은 원소의 치환이나, 외부 응력에 의해 손쉽게 조절이 될 수 있음을 추가적으로 확인하고, 이 물질의 상전이 온도 조절이 쉽게 가능하다는 것을 검증했다. 이번 연구는 스핀 분극 밴드 갭이 스핀 선택 규칙으로 인해 태양에너지 투과효율을 감소시키지는 않지만, 금속-절연체 전환온도는 효과적으로 낮출 수 있음을 밝히며 스마트 윈도우용 소재로 제안한 최초의 연구이다. 이동화 교수는 “일반적인 밴드 갭을 갖는 물질은 상전이 온도는 낮추고, 투과효율은 높여야 하는 스마트 윈도우의 조건을 동시에 만족시키기 힘들었다”며, “이번에 개발된 신물질은 기존의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 밴드 갭(band gap) 반도체와 절연체에서, 가전자대와 전도대 간에 있는 전자상태 밀도가 제로가 되는 에너지 영역. 전자의 전이가 허용되지 않는 구역

기계‧화공 노준석 교수, ‘빛의 연금술’ 총설 논문 잇단 발표

[새로운 광학 ‘위상광학’ 연구‧카이랄분자 광특성 이해 논문으로 주목] ‘빛’은 우리 눈에 들어와 사물을 볼 수 있도록 해주는 존재다. 다양한 학문이 빛에 관한 연구를 진행하고 있으며, 최근에는 빛의 성질을 응용해 지금까지 우리가 생각하지 못했던 기술들이 개발되고 있다. 그중에서도 빛의 모든 성질을 무시하는 ‘투명망토’ 물질로도 불리는 인공소재 메타물질 연구가 대표적이다. 이 메타물질 연구로 학계에서 각광을 받고 있는 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수팀이 이번에는 빛을 이용한 ‘연금술’ 기술들을 망라한 총설 논문을 잇달아 발표했다. 이들 논문은 모두 광학 분야의 세계적 권위지인 ‘빛:과학과 응용(Light:Science and Applications)’지 최신호를 통해 게재됐다. 노 교수와 박사과정 김민경 씨가 발표한 첫 번째 논문은 무손실 혹은 저손실 광통신에 관련된 위상 광학에 관련된 논문이다. 수학 분야에서 출발한 위상학은 최근 물리학에 접목하며 다양한 성과를 만들어내고 있다. 여기에 빛의 성질을 무시하는 메타물질이 등장하면서, 아예 새로운 위상광학이라는 분야가 등장한 것이다. 연구팀은 최근 발표된 다양한 위상광학 연구 결과를 정리하면서 위상물질과 빛의 상호관계, 위상광학의 실질적 응용을 위한 연구를 소개한다. 특히 빛의 파장 크기와 비슷한 크기의 파장인 경우 빛이 표면상태에 따라 민감하게 반응하기 때문에 제어하기 어려웠지만, 위상광학으로 접근할 경우 빛을 표면 상태와 관계없이 원하는 방향으로만 흐르게 해 무손실 광통신의 가능성을 입증한 연구가 학계의 관심을 모았다. 두 번째 논문은 노준석 교수와 박사과정 문정호, 김민경, 양영환, 트레본 베드로(Trevon Badloe)씨가 참여한 논문으로 제약 분야에서 주목받는 카이랄 분자에 관한 논문이다. 카이랄리티(Chirality)는 손대칭성으로도 불리는데, 거울에서 왼손을 볼 때 오른손으로 보이지만 실제로는 그렇지 않은 것처럼, 어떤 물체와 그 물체의 거울 이미지가 동일하지 않은 특성을 의미한다. 여기서 거울에 비친 이미지를 거울상이성질체로 부른다. 카이랄분자들은 거울상이성질체와 다른 화학반응을 일으키기 때문에 분자들의 방향을 특정하는 것은 의약 분야나 합성화학에서 중요한 과제다. 그래서 이 방향을 특정하기 위해서 빛과 물질의 상호작용을 증폭시켜 그 방향성을 확인하고자 하는 연구가 활발하게 이어지고 있다. 하지만, 아직까지 카이랄 분자의 광특성에 대한 해석이 불완전하다는 점을 감안, 연구팀은 카이랄리티와 빛의 상호작용에 대한 이해를 돕기 위한 논문을 발표했다. 노준석 교수팀은 지난 2018년에도 세계적 학술지 네이처를 통해 카이랄리티 연구 논문을 발표했었다. 이번에 발표된 두 논문 모두 기존 연구에서는 불가능했던 것으로 여겨졌던 분야와 아직 학계 전체로 이해가 낮은 분야의 이해를 돕기 위한 것으로, 이들 논문의 게재는 연구팀이 차세대 광학 분야 연구에서 전 세계 학계에서 높은 평가를 받고 있음을 의미한다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, RLRC선도연구센터, 미래소재디스커버리사업, 교육부의 글로벌박사펠로우십, 현대자동차 정몽구 장학재단의 지원으로 수행됐다.