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- 화학공학/고분자공학부 이준영 교수, 공학교육혁신협의회장 선임
- 화학공학/고분자공학부 이준영 교수, 공학교육혁신협의회장 선임 공학교육혁신센터장 이준영 교수(화학공학/고분자공학부 교수, 기획조정처장)가 2022년 공학교육혁신협의회장으로 선출되었다. 공학교육혁신협의회는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원이 지원하는 ‘창의융합형공학인재양성지원사업’에 선정된 13개 주관대학 컨소시엄, 총 74개 공학교육혁신센터를 총괄 지원하며 △대학별 프로그램 특성화 △현장기반 공학교육 △공학생태계조성 등을 추진한다. 또한 공학교육혁신협의회는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원과 함께 창의융합형 공학 인재들의 창의ㆍ혁신 성과를 공유하는 ‘공학페스티벌 (E2Festa)’을 기획 및 개최하여 산-학-관 공학 생태계 조성에 앞장선다. 공학교육혁신협의회는 우리나라 창의융합형 공학 인재 양성을 위한 공학 네트워크 구심점으로써 우리나라 공학의 특성화, 현장 연계, 글로벌화에 앞장설 예정이다.
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- 작성일 2022-07-22
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- 화학공학/고분자공학부 김태일 교수, 무선 뇌-인공지능 자동제어 인터페이스 개발
- 화학공학/고분자공학부 김태일 교수, 무선 뇌-인공지능 자동제어 인터페이스 개발 인공지능 RC 카가 정지선을 지나치는 오작동을 일으킬 때의 뇌파 측정 실험 과정 사진 및 오류 관련 전위 측정 결과 얼굴에 붙인 문신 전극으로 인공지능(AI) 장치를 실시간으로 제어할 수 있게될 전망이다. 한국연구재단은 성균관대학교 김태일 교수 연구팀이 문신 전극 기반의 뇌파 측정 웨어러블 디바이스를 제작, 사람의 뇌파를 통해 인공지능머신의 의사결정 성능을 향상 시키는 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다. 문신 전극(전자 문신)이란 매우 얇은 두께로 사람 피부에 마치 문신처럼 부착해 생체 신호 모니터링 용도로 사용되며, 두께가 얇아 사람 피부의 지문과 같은 굴곡에도 전극이 파고 들 수 있게 해준다. 현재 제품화된 인공지능 기계에 대해 오작동을 지적하거나 올바른 동작정보를 전달하는 것은 손이나 음성 등을 통한 수동적 방법을 이용하고 있어, 지속적인 성능 향상을 기대하기 어렵다. 최근 뇌파를 이용해 인공지능 기계에 피드백을 주는 연구들이 진행되고 있지만, 대부분 뇌파 측정 장치의 성능 부족과 사용자가 움직일 때 발생하는 동적 노이즈 문제 등을 해결 하지 못하여 제한된 실험실 환경에서만 연구되고 있다. 연구팀은 머리카락 굵기의 100분의 1 수준인 약 1마이크로미터의 두께로 고품질의 뇌파 측정이 가능한 문신 전극을 제작, 여기에 이어버드(무선 이어폰)를 통합해 무선 웨어러블 뇌파 측정 장치를 개발했다. 문신 전극은 얼굴표면과 같이 굴곡진 피부 위에도 부착이 가능하며, 두께가 얇아 마치 피부와 같이 이질감 없이 부착할 수 있어 기존 뇌파 측정 장치의 고질적 문제인 동적 노이즈 문제를 극복 할 수 있다. 또한 상용 디바이스의 약 10분의 1 무게로 무선통신이 가능한 초소형 뇌파 측정 이어버드를 이용함으로써 사용자가 움직이는 상황에서도 제약 없이 뇌파 신호를 측정하고 활용할 수 있는 가능성을 열었다. 연구팀은 사용자가 인공지능 자동화 기계의 오류를 관찰 할 때 생기는 뇌파 패턴을 이어버드로 수집, 오류 관련 전위를 추출 할 수 있게 도와주는 딥러닝 모델을 학습시켰다. 그 결과, 인공지능 기계가 실시간으로 오류 관련 전위를 확인하고, 인공지능이 문제를 일으켰을 때 이를 즉시 교정하거나 오류를 일으키지 않는 방향으로 기계의 성능을 강화시킬 수 있었다. 뇌-인공지능 폐쇄 루프 제어 시스템의 모식도와 연구팀에서 제작한 문신 전자 장치 기반 무선 웨어러블 뇌파 측정 디바이스 오류 관련 전위를 자동으로 확인하는 인공지능 기계는 마치 사람의 사회적 능력인 ‘눈치’를 살피는 법을 배운 것과 유사하며, 스스로 사용자의 뇌파를 분석하여 긍정적 혹은 부정적 의도를 판별할 수 있고 또 사용자가 원하는 방향대로 학습하고 동작을 결정해 나갈 수 있다. 김태일 교수는 “재료 기술과 공학적 노력을 통해 웨어러블 뇌파 측정 장치의 성능을 한 단계 끌어 올려, 인공지능이라는 실용적 영역에 접목시킨 사례”라며 “후속 연구를 통해 변수가 많은 실제 자율 주행 자동차 등을 대상으로 뇌-인공지능 자동 제어 시스템의 적용 가능성을 기대하고 있다”고 전했다. 한국연구재단이 추진하는 뇌과학원천기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘npj 플렉서블 일렉트로닉스’ 5월 30일 온라인 게재됐다.
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- 작성일 2022-07-13
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- 건설환경공학부 최민하 교수, 인공위성 데이터와 인공지능 기법의 적용을 통한 가뭄관측지도 제작 기법 개발(EBS 소개)
- 건설환경공학부 최민하 교수, 인공위성 데이터와 인공지능 기법의 적용을 통한 가뭄관측지도 제작 기법 개발(EBS 소개) 건설환경공학부 최민하 교수가 다중 인공위성 데이터를 통합적으로 이용하여 수자원을 관측하고, 이를 통해 수자원의 분포를 파악하여 가뭄의 범위와 심도를 관측하여 지도로 표출할 수 있는 기술을 개발했다. 관련 연구는 6월 17일 EBS 젊은 우주과학자 기획에 “위성 관측으로 한반도 가뭄지도 완성”이라는 내용으로 소개되었다. 최근 전세계적으로 가뭄에 의한 피해가 급증함에 따라, 기후변화에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 기상 관측방법은 국지적인 기상 상황만을 파악할 수 있어, 넓은 지역에 광범위하게 발생하는 가뭄을 관측하기에 많은 한계가 있었다. 이에 인공위성을 활용하여 수자원을 관측하고자 하는 다양한 연구가 수행되고 있다. 최민하 교수 연구팀은 오랫동안 인공위성을 활용한 다양한 수자원 관측에 대한 연구를 수행하였고, “인공위성 영상 자료를 이용한 동북아시아 가뭄지도 제작 시스템”에 관한 특허를 등록하는가 하면, 세계적인 학술지를 통해 수자원과 관련된 지구 에너지 흐름, 환경 등에 대한 전반적인 연구 성과를 인정받고 있다. ※ 유튜브 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=QuF39m8khuY&ab_channel=%EB%89%B4%EC%8A%A4EBS - 인터뷰 전문 - 안녕하세요. 저는 성균관대학교 건설환경공학부 수자원전문대학원 그리고 수자원원격탐사 연구실을 운영하고 있는 최민하입니다. 저희 연구실은 위성 영상을 주로 활용해서 전 지구적인 관점 특히 동북아시아 지점에서 물의 순환에 대한 연구를 하고 있습니다. Q. 인공위성으로 어떻게 물의 순환을 관측하나요? “위성 영상이 많이 발전이 되고 그런 인공위성들에 탑재된 센서들이 실제로 지표면, 그리고 여러 가지 인자들을 탐지하게 됩니다. 그런 것들을 저희들이 데이터를 받아와서 우리들이 활용할 수 있는 그런 인자들을 개발하고 그런 것들을 또 활용해서 필요한 데에 해석하게 되는 거죠.” Q. 위성 데이터를 토대로 '한반도 가뭄지도'를 만들었는데요? “지구관측위성에서 나오는 자료들을 활용해서 2차원적 또는 3차원적으로 광역적인 동북아시아 전체에서의 가뭄 현상이라든지 그런 현상들을 조금 더 정확하게 예측하고 분석하는 그런 프로그래밍을 저희들이 특허를 냈었습니다. 그런 가뭄 현상들을 예측할 수 있는 그런 능력이 되면, 실제로는 가뭄에 대응하기 위한 물의 양들을, 예를 들어서 저수지에 있는 물의 양들을 준비하고 있다든지 아니면 실제로 조금 물을 아껴 쓴다든지 여러 가지 정책들에 활용할 수 있을 것이라고 생각합니다.” Q. 한반도를 비롯한 동북아시아 가뭄의 특징이 있나요? “지금 특징은 플래시 드라우트(급성 가뭄)라고 하죠. 그러니까 가뭄이 되게 급박하게 생겼다가 급박하게 사라지는 그런 것들이 폭염과 같이 몇 년 전부터 폭염이 오면서 가뭄이 같이 생기거든요. 그런 현상들이 실제로는 농업적 가뭄(토양수분 부족) 그리고 더 나아가서는 수문학적 가뭄(지표수·지하수 부족)으로 발전을 하는데요. 실제로 토양수분이 급격히 감소한다든지 증발산이 급격히 (늘었다가) 감소한다든지와 같은 그런 현상들이 우리나라뿐만 아니라 외국에서도 플래시 드라우트에 대한 그런 연구들이, 필요성이 많이 대두되고 있습니다.” [그림] 최민하 교수 연구팀이 관측한 동북아시아 가뭄의 변화양상 Q. 위성 이용한 기후 관측은 얼마나 발전했나요? “한 오십 년 전에 지구 관측을 목적으로 과학 위성들이 많이 개발이 됐습니다. 지금까지 오십 년 동안 급격한 발전을 했고요. 여러 가지 다양한 센서, 다양한 위성들이 현재 약 5천 개 정도가 지구를 맴돌면서 자료를 수집하고 있는데요. (위성궤도인) 500km, 600km 상공에서 지구 표면을 관측하려고 하면 대기를 통과하면서 여러 가지 오차라든지 여러 가지 왜곡들이 많이 생기게 되는데요. 그런 것들을 극복하기 위해서 센서들을 더 다양한 각도로 개발하게 되는 거죠. 그래서 예를 들면, 날씨에 영향을 받지 않는 센서, 대기 보정이 그렇게 복잡하지 않은 센서, 여러 가지 다각도 방면에서 센서들이 발전하고 있기 때문에 실제로는 한 예전보다 지금이 훨씬 더 많이 사용할 수 있는 데이터들이 있고요. 그런 데이터들을 빅데이터 형태로 같이 융합하고 재해석하기 위해서 인공지능이라든지 다양한 기법들 이 개발되고 같이 활용되고 있습니다.” Q. 인공위성 데이터 활용 연구, 왜 중요한가요? “실제로 예전에는 데이터가 좀 부족해서 사실은 데이터가 되게 많이 아쉬운 실정이었는데요. 지금은 데이터가 없어서 분석을 못하는 그런 건 아니고요. 실제로 말씀하셨다시피 많은 데이터 중에 좋은 데이터들을 잘 선별해서 정확하게 사용하는 것이 지금의 관건 중에 하나입니다. 제 생각에는 해외 선진국에 비해서 실제로는 위성이 아무리 좋은 센서에, 좋은 탑재체가 있어도 사실은 그걸 활용하는 인재가 문제거든요. 새로운 인재들을 개발하는 그런 분야에 조금 더 역량을 쏟으면 우리도 좋은 결과를 내지 않을까 예상하고 있습니다.”
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- 작성일 2022-07-05
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- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 고강도·고강성·고전도성 하이드로겔 및 겔전해질 개발
- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 고강도·고강성·고전도성 하이드로겔 및 겔전해질 개발 - 단순한 제조 공정을 통해 매우 높은 강도와 강성을 지닌 하이드로겔 개발 - 이온 전도 특성을 추가해 겔전해질로서 활용성 증명 [사진] 김재윤 교수, 지동환 박사 성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제1저자 지동환 박사)이 김덕준, 박호석 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 단순한 제조공정으로 매우 높은 강도와 강성을 지닌 하이드로겔을 개발하고, 이온 전도성을 추가해 겔전해질로서 활용성을 보였다. 하이드로겔은 물을 다량 함유한 3차원 고분자네트워크로 이루어진 부드러운 소재이다. 최근 수계 에너지저장장치의 기계적·화학적으로 불안정한 전해액/분리막을 대체할 소재로서 반고체형 ‘겔전해질’에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 위해 매우 높은 기계적 물성과 이온전도성을 보유한 하이드로겔 개발이 필요하다 이에 연구팀은 기존의 약하고 부드러운 하이드로겔을 변형하여 기계적 물성이 획기적으로 향상된 하이드로겔을 제조하는 재구조화 공정을 제안했다. 해조류에서 유래한 생체친화적인 알긴산 하이드로겔(프리겔)을 건조하여 얇은 필름을 만들고, 이를 알긴산 고분자의 가교제인 금속 이온 용액에 담그어 추가가교 및 수화를 유도해, 고분자 네트워크가 초고밀집화된 하이드로겔을 제작했다. 재구조화된 하이드로겔은 프리겔의 두께 대비 97% 감소해 아주 얇은 형태로, 단면에서 큰 기공을 보이는 일반적인 하이드로겔과는 달리 매우 균일한 고밀집 구조를 보인다. 강도와 강성이 수십 kPa밖에 되지 않는 기존 하이드로겔과 비교해 재구조화된 하이드로겔은 가교 이온의 종류에 따라 8−57MPa의 인장강도와 94−1,290 MPa의 탄성계수(강성)를 나타내었다. 특히 철(Fe3+) 이온으로 가교된 하이드로겔의 강도와 강성은 초기 프리겔과 비교하여 각각 10,800배, 95,000배 상승했다. 연구팀은 개발한 하이드로겔을 수계 에너지저장장치의 전해액/분리막을 대체해 적용하여 겔전해질로서 특성을 검증했다. 재구조화 하이드로겔은 고농도(1M)의 리튬 이온 용액에서도 외형과 기계적 물성을 유지하고, 동시에 흡수된 리튬 이온으로 높은 이온 전도성을 보였다. 전기/이온전도성 하이드로겔과 이온전도성 하이드로겔이 샌드위치 방식으로 적층된 겔전해질을 제작하여 슈퍼커패시터의 전해액/분리막을 대체해 적용한 결과 장시간의 충방전에도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 김재윤 교수는 “인대나 힘줄과 같이 매우 질긴 생체조직과 유사한 물성의 하이드로겔 개발 기초연구로 시작해 겔전해질로의 활용 가능성을 확인하였다. 향후 생체모사 및 에너지 소재 등 다양한 적용 분야의 니즈에 적합한 고기능성 하이드로겔을 제작하여 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다. 본 연구 결과는 ‘Superstrong, superstiff, and conductive alginate hydrogels’제목으로 Nature Communications에 5월 31일 게재되었으며, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 산림청/임업연구원의 산림생명자원소재발굴연구사업 지원으로 수행되었다.
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- 작성일 2022-07-05
- 조회수 2228
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- 성균관대–BUSCH, 산학협력 협약식을 체결
- 독일의 진공펌프 제작사 BUSCH 에서는 6.22(수)에 성균관대학교 공과대학을 방문하여 산학협력 협약식을 체결하였다. 이날의 행사는 독일 BUSCH 본사의 오너인 SAMI SINAN BUSCH 회장, 우리대학 공과대학 동문인 BUSCH korea의 최윤진 대표이사(공과대학 금속공학과 87', 과학기술대학원 시스템경영공학과 05'), 공과대학 이내응학장이 참여하였다. SAMI SINAN BUSCH 회장은 이날 협정체결과 함께 공과대학 발전기금 20,000,000원을 쾌척하면서 성균관대학교와 BUSCH간의 상생발전을 도모하길 원한다고 강조하며, 이번 행사가 두 기관이 더욱 긴밀히 협력할 수 있는 계기가 되었으면 좋겠다고 덧붙였다.
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- 작성일 2022-06-30
- 조회수 2473
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- 2022학년도 1학기 김순문장학금 수여식 개최
- 2022학년도 1학기 김순문장학금 수여식 개최 공과대학은 6.15(수) 공과대학회의실에서 ‘2022학년도 1학기 김순문장학금 수여식’을 개최하여 학생들에게 500만원의 장학금을 전달했다. 김순문장학금은 故김순문 선생님(기계공학과 김재훈 교수 부친)께서 기부하신 기부금으로 조성되었으며, 매 학기 장학생을 선발하고 있다. 이날 행사에서는 김순문 선생님 가족대표 김재훈 교수, 이내응 학장, 방찬현 교수, 석지원 교수님이 참석하여 장학생들에게 장학증서를 수여하고 축하와 격려의 말을 전했다. 학생들은 소감으로 김순문 장학금의 이름에 부끄럽지 않은 학생이 되도록 노력하겠다고 입을 모았다. 2022학년도 1학기 장학금 수여대상자는 화학공학과 홍원태, 신주환, 기계공학과 김태연, 현승봉, 조흔태 학생이다.
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- 작성일 2022-06-20
- 조회수 2272
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- 본교, 그린리모델링 혁신인재육성사업 수도권 특성화대학 선정
- 본교, 그린리모델링 혁신인재육성사업 수도권 특성화대학 선정 [사진] 사업책임자 건설환경공학부 송두삼 교수 교육부는 2022~2024년 대학혁신지원사업의 부처협업형 인재양성사업으로 국토교통부와 ‘그린리모델링 혁신인재육성사업’을 추진하고 있다. 지난 4월 수도권(서울, 경기, 인천) 1개 대학, 비수도권(강원, 충청, 전라, 경상) 1개 대학을 공모하였으며, 수도권 특성화대학으로 우리 성균관대학교가 선정되었다. ‘그린리모델링 혁신인재육성사업’은 학부생을 대상으로 하는 인력양성 사업으로 수도권에서도 유수 대학들이 경쟁하는 가운데 우리 대학이 선정되었으며, 사업책임자는 건설환경공학부 송두삼 교수이다. 우리 대학은 이 사업과 연계하여 ‘탄소중립 건축 마이크로디그리’를 설치해, 2050탄소중립, RE100, ESG 등에 대응하는 글로벌 탄소중립 건축 전문인재 양성을 추진할 계획이다. 이 사업을 통해 매년 20명~40명의 학부생들이 장학금 혜택을 받으며, 교과, 비교과과정을 통해 그린리모델링, 탄소중립 건축 등에 관한 전문적인 소양을 배양하게 될 것으로 기대된다.
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- 작성일 2022-05-27
- 조회수 2209
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- 김윤석(신소재공학과), 김영민(에너지과학과) 교수, 이온빔 활용 차세대 반도체 소재 고성능화 최초 구현해 사이언스지에 발표
- 김윤석(신소재공학과), 김영민(에너지과학과) 교수, 이온빔 활용 차세대 반도체 소재 고성능화 최초 구현해 사이언스지에 발표 - 반도체 소자의 초고집적화를 위한 응용 가능성 열어 - [사진] 김윤석 교수, 김영민 교수(왼쪽부터) 신소재공학과 김윤석 교수 및 에너지과학과 김영민 교수 연구팀[공동교신저자 허진성 박사(삼성전자 종합기술원), Sergei Kalinin 박사(미국 오크리지 국립연구소)이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO2)에 ‘이온빔’을 이용해서 강유전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 구현했다. 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구, 기본연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지인 사이언스(Science)에 5월 13일 게재되었다. 강유전성이란 외부 자기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 성질을 유지하게 되는 성질을 말하며, 강유전성이 크면 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있게 된다. 이러한 강유전성을 지니는 물질을 사용할 경우, 나노미터의 매우 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 통해 반도체 소자의 집적도를 높일 수 있다는 아이디어가 이미 40여 년 전에 제안되었으나, 최근 새로 도입된 소재인 하프늄옥사이드에서도 강유전성 증대를 위한 후처리과정이 추가로 필요하고 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미치는 등 실제 적용에는 공정상 큰 한계점이 있어 실제로 구현되지는 못했었다. 이에 연구팀은 후처리과정이나 복잡한 공정최적화 과정 없이, ‘이온빔’이라는 하나의 변수만으로 하프늄옥사이드의 강유전성을 손쉽게 조절하고 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 강유전성의 발현 정도는 산소 공공(산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리)과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 연구팀은 이에 착안하여 이온빔을 이용한 산소 공공의 정량적 조절을 통해 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다. 연구팀은 이온빔을 적용한 결과, 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀냈으며, 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시킬 수 있었다. 김윤석 교수는 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”며 “현재의 방법론적 연구 결과를 토대로 실제 반도체 산업에 적용하기 위해서는 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다”고 말했다.
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- 작성일 2022-05-25
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- 화학공학/고분자공학부 김진웅 교수, 과학기술진흥유공자 대통령표창 수상
- 화학공학/고분자공학부 김진웅 교수, 과학기술진흥유공자 대통령표창 수상 화학공학/고분자공학부 김진웅 교수가 제55회 과학의 날을 맞아 진행된 과학기술진흥유공자 정부포상에서 대통령표창을 수상했다. 김진웅 교수는 20여 년간 바이오헬스산업에서 축적한 연구개발 경력과 핵심인재육성을 바탕으로 국가 바이오의료기술 개발 및 K-뷰티 글로벌 기술경쟁력 고취에 결정적으로 기여하고 있다. 산업통상자원부 산업융합촉진 옴부즈만(차관급)을 역임하며 국가신산업 현장에서 다수의 실효성 있는 규제혁파 사례들을 도출하며 그 공적을 인정받고 있다. 과학기술정보통신부와 방송통신위원회, 한국과학기술단체총연합회, 한국정보방송통신대연합가 4월 21일 오후 한국과학기술회관에서 '2022 과학·정보통신인의 날 기념식'을 개최해 과학기술·정보통신 진흥 및 국가연구개발 성과평가 유공자에 대한 정부포상을 진행했다.
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- 작성일 2022-05-23
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- 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀, 세계적 학술지 Science에 진동노이즈 선택적 제거 연구결과 발표
- 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀, 세계적 학술지 Science에 진동노이즈 선택적 제거 연구결과 발표 - 차세대 웨어러블, 삽입형 소자를 위한 발걸음 - 거미 다리의 패드를 모사해 전자 소자 개발 [사진] 김태일 교수, 박병학 박사 성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀은 박병학 박사의 주도 아래 거미 다리의 패드를 모사하여 외부 노이즈를 선택적으로 제거하는 댐핑 소재 및 이를 이용한 전자 소자를 개발하는 데 성공했다. 최근 생체 전자 소자는 상용화된 스마트워치 및 스마트폰을 비롯해 몸에 부착되거나 삽입된 형태로 중요한 생체 신호를 측정한다. 더 정밀한 측정을 위해 소자의 성능을 높이려는 연구가 많이 진행되었으나, 소자의 성능이 증가함에 따라 생체 신호 측정 시 움직임에 의한 노이즈를 비롯하여 다양한 생체 신호의 간섭이 원하는 신호를 구분하는 데 어려움을 주는 문제가 있다. 특히, 단순한 걷기, 움직임과 같은 생활 노이즈들은 대부분 30Hz 미만의 대역을 가지며 필연적으로 생체 신호 수집을 방해하는 요인 중 하나이다. 상용화된 전자 소자를 비롯하여 노이즈를 줄이기 위한 현재 연구 단계는 신호 처리 기술 및 이를 이용한 머신러닝 기반의 신호 분류가 많이 집중되고 있다. 하지만 이는 신호의 왜곡을 야기하고 추가적인 회로가 필요하며 즉각적인 신호 대역을 바꾸기 어렵다는 단점이 있다. 이 외에 다른 충격 흡수(댐핑) 재료들의 경우 선택적인 흡수가 아닌 모든 파장대를 흡수하는 문제점이 있다. 이에 연구팀은 위의 문제점을 자연의 재료로부터 영감을 받아 해결하고자 했다. 거미의 경우 매우 민감한 진동 수용체를 가지고 있어 적이나 먹이, 혹은 짝으로부터의 진동 신호를 민감하게 받아들일 수 있다. 흥미롭게도 바람이나 비와 같은 외부 노이즈들에서도 원하는 신호를 잘 읽을 수 있는데, 이는 진동 수용체 아래에 위치한 점탄성 패드(cuticular pad)가 선택적으로 낮은 주파수의 신호를 흡수하고 높은 주파수 대역을 진동수용체로 전달하기 때문이다. [연구그림 1] 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤 이를 바탕으로 연구팀은 거미의 패드의 원리를 모사하여 필요한 영역대의 상대적으로 높은 주파수 대역을 갖는 생체 신호를 통과시키고, 낮은 주파수 대역을 갖는 노이즈들을 선택적으로 제거하는 새로운 소재를 세계 최초로 개발하였다. 거미의 패드의 경우 키틴이라는 당과 단백질로 이루어져있고, 키틴의 경우 인접한 고분자 사슬끼리 많은 수소결합을 형성하고 단백질의 경우 사슬 사이에서 상변화를 유도한다는 것을 확인하고, 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤을 제작하였다. 실제로 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤은 다른 소재보다 높은 충격흡수 에너지 및 주파수 선택도를 갖는 것을 확인하였다. 또한 온도를 외부에서 45도까지 조절하면 약 1 Hz에서 50 Hz 까지 댐핑 영역대를 실시간으로 조절할 수 있음을 확인하였다. [연구그림 2] 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤 생체 응용 이를 이용하여 스트레인 센서와 결합하여 목 진동, 심박수 등의 기계적 생체 신호를 노이즈 하에서 높은 신호대 잡음비로 읽을 수 있고, 심전도, 뇌파 등의 전기적 생체 신호 역시 노이즈 하에서 안정적으로 검출이 가능함을 확인하였다. 신호처리를 이용하여 노이즈를 제거한 기존의 방법보다 높은 신호대 잡음비를 얻는 것으로, 재료가 선택적으로 노이즈를 댐핑하는 것이 기존의 방법보다 훨씬 효과적임을 입증하였다. 연구를 진행한 박병학 박사는 “이 연구는 자연이 가진, 거미의 특수한 기계적 성질을 모방하여 기존의 전자 소자가 가지고 있던 고질적인 노이즈 문제를 재료적으로 해결한 사례”라며, “전자 소자의 성능만을 높이는 것 뿐 아니라 선택적으로 외부 노이즈를 줄이는 것이 더 효과적인 생체 신호 수집의 방법이 될 수 있다”고 설명했다. 김태일 교수는 “노이즈를 최소화하여 생체 신호 모니터링 연구가 활성화되어 실시간으로 얻기 어려웠던 민감한 신호를 읽어내 진단 및 의공학 분야에서 큰 활용이 있을 것으로 전망한다”고 연구의 의의와 후속연구 계획을 설명했다. 본 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래창조과학부의 학문균형발전지원사업(NRF- 2019R1I1A2A01061966), 휴먼플러스융합연구개발사업(NRF-2020M3C1B8016137), 뇌과학원천기술개발사업(NRF-2019M3C7A1032076), 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 주관 2020년 산업기술거점센터 육성시범사업(20013794) 그리고 산업통상자원부 및 한국산업기술진흥원 주관 2021년 산업혁신인재성장지원사업(해외연계)(P0017305)의 지원으로 수행되었으며, 세계적 국제학술지 ‘Science’에 5월 6일 게재되었다.
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- 작성일 2022-05-23
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