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“얼만큼 아파?”라고 물을 때 어떻게 답해야 할까요?

눈물 나도록? 무척이나? 죽을 만큼?

통증 정도

통증의 정도는 개개인의 경험, 참을성, 표현력 등에 따라 천차만별입니다.

때문에 고통을 호소하는 환자에 대응할 수 있는 방법도 정확하지 않다는 것이지요.

통증의 척도를 알 수 있는 객관적인 지표가 없어서 그렇습니다.

때문에 세계 의학계에서는 통증의 객관적 정도를 파악하기 위해 연구하고 있는데요.

안타깝게도 현재는 환자가 10단계로 구분된 통증강도 중 자신의 상태를 선택하는 주관적 설문방식이 사용되고 있습니다.

통증 10단계통증 10단계

통증 인식

통증을 인식하는 방법은 크게 촉각이라고 할 수 있습니다.

외부의 자극이 일정 수준 이상으로 전해지는 ‘문턱값’을 넘으면 비로소 촉각이 뇌로 전해지는데요.

이 때 강도에 따라 전달체가 촉각수용체와 통각수용체로 나뉘게 됩니다.

미세하고 촘촘하게 배열된 통각수용체는 미세한 자극을 감지하지만 전달속도가 초속 0.5~30m로 저속이면서도 범위가 넓고요.

반면 촉각수용체는 통각수용체보다 100배나 굵고 밀도가 낮은 대신 전달속도는 초속 70m로 상대적으로 빠르지요.

그럼 이렇게 전달된 촉각을 뇌가 어떻게 분석해서 통증으로 알려줄까요?

온도신경

오감 중 외부자극에 반응하는 촉각은 통증을 인식하는 데 중요한 역할을 합니다.

때문에 촉각을 정밀하게 측정할 수 있다면 곧 통증을 측정할 수 있는 것과 같은데요.

촉각신경 중 손상 여부를 가장 빨리 알려주는 부분은 상대적으로 세포 밀도가 낮은 온도신경인데요.

즉, 온도감각을 느끼는지만 정확히 측정할 수 있어도 신경손상을 알아차리고, 관련 질병을 조기진단 할 수 있는 것이지요.

다소 아리송한 설명이지만, 여기에서 핵심은 통증의 정도를 신경생리학적으로 객관화할 수 있는가 입니다.

체성감각 비밀을 풀다

한국표준과학연구원(KRISS) 첨단측정장비연구소 김기웅 박사 연구팀은 최근 세계 최초로 신경생리학적 두뇌반응에 기반해 통증 등 감각의 객관적 지표를 측정하는데 성공했습니다.

이번 연구는 단위로 정의할 수 없는 인간의 감각을 표준화할 수 있는데 한발 다가선 것을 의미하는데요.


나아가 인간의 감각을 신경생리학적 두뇌반응에 기반, 객관적 지표로 측정할 수 있게 된 것입니다.

이번 연구는 대뇌의 일차 체성감각 영역(Somatosensory Area)을 초정밀 측정하는 뇌자도장치로 진행됐는데요. 뇌자도는 뇌파가 발생시키는 자기장을 초전도양자간섭소자(SQUID)로 정밀측정하는 장비입니다.

한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도



연구팀은 뇌자도를 이용해 뇌신경에서 발생하는 전기적 활동을 왜곡 없이 정밀하게 측정했는데요.

이 결과 대뇌의 1차 체성감각영역(S1)이 순수 온도자극에 반응한다는 사실을 최초로 입증했습니다.

지금까지 세계 학계에서는 대뇌의 2차 체성감각영역(S2)만이 순수 온도 감각을 처리한다는 것으로 여겼는데요. S1이 관여한다는 가설이 있어도 기존 fMRI로는 는 입증할 수 없어 논란이 있었습니다.

이에 연구팀은 뇌자도로 온도자극 시 뇌에서 자기장을 발생시키는 신경전류의 정확한 위치를 분석하는데 성공했습니다.

이에 따라 신경세포의 밀도가 낮으면 특정세포가 손상됐을 때 대신 작동할 수 있는 주변 세포도 부족하게 된다는 것, 세포 밀도가 낮은 온도신경은 미세한 손상이라도 받으면 뇌에 자극을 전달하지 못하는 것에 미뤄 온도감각을 정확히 측정하면 신경의 손상 여부를 알 수 있고, 나아가 질병을 조기에 진단할 수 도 있다는 것을  확인했습니다.

뇌자도 분석▲ 피부에 온도 자극을 가하면 뇌의 신경전류원에서 자기장이 발생한다. 연구진은 자기장이 발생하는 정확한 위치를 분석함으로써 기존에 알려진 부위(cSII) 이외에도 일차 체성감각 영역(S1)이 순수 온도 감각을 처리함을 밝혀냈다. (우측 그림의 cSI이 S1를 의미)



특히 이번 성과 중 주목할 것은 이를 기존 뇌전도나 fMRI 등에서 보이지 않았던 새로운 반응영역을 자체 개발한 뇌자도를 통해 찾아낸 것입니다. 

이번 연구결과는 세계 최고 수준 뇌과학전문학술지 ‘휴먼 브레인 매핑(Human Brain Mapping)’ 1월 24일 온라인판에 게재됐습니다.



용 어 설 명


순수 온도감각

신경생리학에서의 온도감각은 통각을 동반하는 경우와 그렇지 않은 두 가지 감각으로 구분할 수 있다. 지금까지 일차 체성감각(S1)에서는 통각을 동반하는 온도감각(뜨거움, 날카로운 차가움)만 처리할 수 있다고 알려져 있었지만, 이번 연구를 통해 순수한 온도감각(따스함, 시원함)까지도 처리하고 있음을 입증하게 되었다.

 

스퀴드(SQUID, Superconducting QUantum Interference Device, 초전도양자간섭소자)

초전도 현상을 이용한 정밀측정소자이다. 스퀴드는 양자역학적인 측정한계에 도달하는 수준의 초고감도 센서로서, 스퀴드를 이용한 자기장 센서는 지구 자기장의 100억분의 1 정도의 미약한 자기장 변화까지 측정할 수 있다.

스퀴드 센서는 인류가 개발한 자기장 센서 중에서 감도가 가장 높으며, 뇌 및 심장 등에서 발생되는 미약한 자기장 측정에 필수적이다.

 

뇌자도(腦磁圖) 측정장치(MEG, MagnetoEncephaloGraphy)

뇌는 많은 뇌신경세포(뉴런)로 구성되어 있는데, 신경세포 간에 전기를 주고 받음으로써 뇌기능 활동이 일어난다. 신경세포에 전류가 흐르면 자기장이 발생되고 머리 주위에 자기장 분포가 형성되는데, 이를 고감도 자기센서인 스퀴드로 측정하는 기술이 뇌자도 방법이다.

스퀴드를 이용한 뇌자도 측정기술은 비접촉 및 비파괴적인 진단기술로서 우수한 시간 및 공간분해능을 가진다. 따라서 뇌의 신경활동부위에 대한 3차원적인 정보를 얻을 수 있고 기존의 뇌기능 진단기술과는 뚜렷한 차별성을 가지고 있는 차세대 의료진단기술이다.

 

fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging, 기능적 자기공명영상)

두뇌가 각각의 기능을 수행하게 되면 신경세포의 전기적 활성에 따라 산소 소모량이 증가하게 된다. fMRI는 혈액의 산소가 많이 소모되는 지점과 그 양을 영상으로 표현하는 장치로서 어떤 행위를 할 때 어느 부위가 활성화되는지 확인할 수 있다.

하지만 외부 자극으로 신경이 활성화 되면 2-3초 후 주변의 혈관이 부풀고 이때 산소량이 변화하는 것을 측정하므로, 시간 및 공간적으로 실제 활성화된 신경의 위치와는 불일치할 가능성이 높다.

특히 시각, 청각, 촉각 등 즉각적으로 반응이 일어나는 감각을 측정하기에는 시간적으로 너무 느린 탓에 기타 추후 반응들이 섞일 가능성이 있고, 공간적으로도 신경의 위치보다는 혈관이 두껍거나 모여 있어 산소변화량이 많은 곳의 위치가 보이는 경우가 있다. 

 

신경생리학(neurophysiology)

인체의 신경기능에 의해서 이루어지는 모든 생리현상을 연구하는 생리학의 한 분야이다. 주로 대뇌신경계통의 문제 및 신경세포, 신경섬유의 물리적 메커니즘, 신경 단위의 결합으로 이루어지는 중추신경세포의 문제 등을 연구한다.


연구성과의 의의 및 활용방향


아직까지는 인간의 감각에 관해서는 객관적 측정지표가 없다. 통증 때문에 병원에 방문하면, “인생에서 가장 아팠던 경험을 10이라고 했을 때, 지금 느끼는 통증은 1부터 10까지 중에 얼마에 해당하나요?”라는 질문을 받는다.

이것은 순서량이라고 하는 측정값으로써 매우 주관적이다.

2010년 국제도량형국(BIPM) 워크샵에서는 “Measuring the Impossible“을 주제로 기존 단위로 정의되지 않는 인간 지각의 측정과 해석에 관한 미래 측정표준의 필요성이 강력히 주장되었다. 뇌자도를 이용한 감각 및 지각 과정의 연구는 기존의 주관적 설문응답 대신 객관적인 뇌신경생리학적 반응을 측정할 수 있다는데 의의가 있다.


연구성과 에피소드


KRISS는 이미 순수 국내기술로 인간 대상 뇌자도 측정장치를 개발하였으며, 뛰어난 우수성을 인정받아 지난 2016년 해외 기술이전에도 성공하였다.

지금까지 KRISS는 이 뇌자도 측정장치를 이용하여 국내 유수 연구기관 및 병원과의 공동연구로 뇌과학, 뇌질환 관련 논문을 다수 출판하였다. 이번에는 외부 협력 없이 자체적으로 뇌과학 연구를 성공적으로 수행함으로써 KRISS의 연구역량이 측정장비 개발은 물론 뇌과학 분야에서도 세계적 수준에 도달했음을 입증하게 되었다.



연구자 약력


1. 인적사항

 ○ 성 명 : 김 기 웅        ○ 직 위: 책임연구원

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소

 ○ 전 화 : 042-868-5676, 010-3033-7492

 ○ e-mail : kwkim@kriss.re.kr


2. 학력

 ○ 1995 KAIST 물리학과 이학사 (고출력레이저광학)  

 ○ 1997 KAIST 물리학과 이학석사 (비선형동력학)

 ○ 2002 KAIST 물리학과 이학박사 (고체물리학)


3. 경력사항

 ○ 2006 – 2007, 미국 프린스턴 대학교 물리학과, 객원연구원 

 ○ 2012 – 2012, 독일 PTB/Bernstein 뇌신경센터, 초청과학자

 ○ 2006 – 현재, 과학기술연합대학원대학교 의학물리학과 교수  

 ○ 2002 – 현재, 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소(우대/책임연구원)


4. 학회/전문 활동

 ○ 국제학회: IEC TC90 전문위원(WG14), IEEE 회원, Institute of Complex Medical Engineering 위원, Asian Symposium on Magnetocardiography 운영위원회 위원, Asia-Pacific Signal and Information Processing Asociation 기술위원회 위원 등

 ○ 국내학회: 한국초전도학회, 대한의용공학회, 한국생체전자기학회, 대한뇌기능매핑학회, 한국물리학회, 국제생체자기학회


5. 전문 분야 정보

 ○ 생체자기학(뇌자도, 심자도), 원자물리학, 초전도물리학, 극저자장 자기공명, 자기공명힘현미경, 전기생리학, 기계학습, 역문제 해법, 최적화 기법 등


6. 발표논문, 특허 및 수상내역 등

 ○ Kiwoong Kim, et al., “Magnetoencephalographic study of event-related fields and

cortical oscillatory changes during cutaneous warmth processing” Human Brain Mapping (2018) 등 논문 150 여 편 

 ○ "극저자장 핵자기공명 심근전기활동 직접 검출방법 및 극저자장 핵자기공명장치" 등 국내/국제 등록 특허 40여 건, 출원 특허 40여 건

 ○ 심자도측정기술 기술이전(독일 BMP 사, 선급 15억 5천만원, 2010), Optical transfer technique(독일 BMP 사, 1억 3천만원, 2015), 뇌자도 시스템 기술이전(호주 Compumedics 사, 선급 12억원, 2016) 참여

 ○ BIOMAG 젊은연구자상, 국가과학기술연구회 우수성과 10선 미래부 장관상(2위), UKC Intellectual Property competition Sponsorship Award, 융합연구 미래부 장관표창, 2014 지멘스-뇌기능매핑학회 학술상, 올해의/이달의 KRISS인상 등 국내외 20 여 개 연구상 수상 


posted by 글쓴이 과학이야기

허리가 아프다는 분들 재활치료 때 바른 자세로 걷는 게 개선의 지름길이라고 합니다.

올바른 걸음걸이는 발뒤꿈치부터 시작해 발의 중앙과 앞부분이 차례대로 닿아야 한다는 데요. 하지만 오랜 습관은 이를 어렵게 하지요.

한국표준과학연구원(KRISS) 질량힘센터 김종호 박사팀이 촉각센서와 LED를 이용해 올바른 걸음걸이를 확인할 수 있는 스마트 신발을 개발했습니다.

이 신발은 힘 또는 압력의 세기를 측정할 수 있는 촉각센서와 빛을 발하는 LED로 구성되는데요. 압력에 반응하는 촉각센서는 신발의 앞, 중간, 뒷부분에 각각 배치됐고, 이는 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 LED 6개와 연결돼 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈로 시범 제작된 신발촉각센서와 LED가 융합된 모듈로 시범 제작된 신발


이 신발을 신고 바르게 걸으면 3가지 색이 모두 나타나고요. 그렇지 않을 경우, 일부만 색이 나오기 때문에 잘못된 보행습관을 알고 개선할 수 있는 것입니다.

특히, 이 신발이 기존 제품에 비해 갖는 가장 큰 차이점은 신발 위치에 따라 가해지는 압력을 구분하고, 이를 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 RGB LED로 가시화하는 것입니다. 

기존 유사 제품의 경우 단일 LED와 가속도센서로 연결돼 걸음걸이에 따른 다양한 색상 및 패턴을 구현하지 못했습니다.

또 이 신발에 사용된 촉각센서는 0.2mm 이내 두께를 갖는 필름형태로 깔창에 삽입돼 있고요. 사용자는 LED 모드를 변경해 자신만의 색과 패턴을 개성으로 표현할 수도 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈촉각센서와 LED가 융합된 모듈


이 신발은 스마트폰 어플이나 블루투스 기능을 이용해 신발의 각 위치별 촉각센서 반응을 실시간으로 확인할 수 있는데요.

스마트 신발과 연결된 스마트폰 어플스마트 신발과 연결된 스마트폰 어플 캡쳐 사진. 걸음걸이에 따른 발의 압력 위치가 그림으로 표현되고 이에 따른 정상걸음수를 확인 가능하다


이를 통해 보다 쉽게 자신의 보행 자세를 교정할 수 있고, 보행 모니터링으로 정상걸음의 횟수도 확인할 수 있습니다.

24시간 동안 지속되는 밧데리는 케이블로 충전할 수 있고요. 전력 소모를 줄이기 위해 촉각 센서만 작동시킬 수도 있습니다.

연구팀은 이번 연구와 관련해 7개 특허를 출원 및 등록 완료했고요. 추후 상용화를 위한 기술이전도 가능한 상태입니다.

 

 연 구 개 요


최근 웨어러블 기기 개발이 대두됨에 따라 스마트 신발을 통하여 걸음 수와 자세교정을 통하여 신체활동을 모니터링 하는 노력을 하고 있다. 기존 스마트 신발은 힘/압력을 측정하는 센서만을 사용하거나 단일 LED만을 사용하여 다양한 색상 구현이 되지 않았다.

그러나 본 연구에서 개발한 LED 스마트 신발은 촉각센서와 빨강, 초록, 파랑 색 조합이 가능한 RGB LED를 융합하여 발의 압력에 따라 빛의 세기 및 다양한 패턴을 만들어 낼 수 있다. 따라서 보행 모니터링을 통한 정확한 걸음 수 측정뿐만 아니라 LED 시각 피드백을 통한 걸음걸이 교정을 할 수 있다. 그리고 야간에 횡단보도, 도로 갓길 보행 시 안전을 제공할 수 있다. 또한 최근 자기만의 개성을 살리고자 패션에 신경을 쓰고 있는 세대에게는 다양한 색 표현이 가능한 LED 신발은 패션 아이템으로 활용될 수 있다.

올바른 걸음걸이를 위한 발의 착지 및 무게중심 이동을 체크하기 위하여 LED 스마트 신발에 사용된 촉각센서 수는 신발마다 3개로 뒤꿈치, 중간, 엄지발가락 부근에 각 각 배치하였다. 올바른 걸음 수는 뒤꿈치, 중간, 엄지발가락 부근에 위치한 촉각센서가 각 각 힘의 최대치가 나타날 때만을 고려하였다. 개발된 스마트 신발은 충전이 가능한 밧데리 방식을 채택하였고 LED 사용으로 인한 밧데리 소모를 줄이기 위해 촉각센서만을 작동시킬 수 있는 제어 기능을 부여 하였다.

사용된 촉각센서는 충격과 마모에 강하며 0.2 mm 이내 두께를 갖는 필름형태이기 때문에 신발 깔창에 삽입이 가능하여 발의 압력을 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다. 스마트폰을 통한 스마트 신발의 LED 제어 및 촉각센서 데이터 획득을 위해 블루투스기반 모듈을 개발하여 사용 편의성을 제공하였다. 또한 스마트폰이 없을 경우 스마트 신발만으로 촉각센서를 통하여 LED 제어할 수 있는 기능을 부여하였다.

연구팀은 본 기술과 관련하여 국내/외 7개 특허를 출원 및 등록했으며, 앞으로는 신발, 안전 관련 업체와 협력해 상용화를 추진할 계획이라고 밝혔다. 또한 향후에 수십 개로 이루어진 다채널 촉각센서를 신발에 적용하여 더 정확한 발의 힘/압력 분포를 측정하여 치매, 낙상 등 조기예측 및 중풍, 당뇨병 등 재활 모니터링을 계획하고 있다. 그리고 밧데리 방식이 아닌 에너지 자가발전 기술 역시 관련기관과 공동으로 개발하여 남녀노소 언제든 사용 가능한 건강 모니터링 LED 스마트 신발 개발 계획을 밝혔다.

한편, 촉각센서와 LED 융합기술은 힘, 압력의 세기에 따라 다양한 색 및 패턴이 가능하기 때문에 스마트폰/태블릿 PC, 자동차 그리고 가전제품용 스위치 및 버튼에 적용되어 사용자에게 감성을 제공할 수 있다. 또한 향후에는 스마트 TV 리모콘, 키보드, 게임기 그리고 감성로봇 등 다양한 분야에 적용될 것이다.

 

 김 종 호 박사 프로필


김종호 박사김종호 박사

1. 인적사항
○ 성 명 : 김 종 호
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 기반표준본부 질량힘센터
○ e-mail : jhk@kriss.re.kr

2. 학력
○ 1992 경북대학교, 기계공학과 학사
○ 1994 KAIST, 기계공학과 공학석사
○ 2001 KAIST, 기계공학과 공학박사

3. 경력사항
○ 2002.1 – 2002. 3, Wisconsin-Madison, 의공학과, 방문연구원
○ 2001 – 2010, 한국표준과학연구원 선임연구원
○ 2012 – 2013, 감성터치협의회, 기술이사
○ 2011 – 현재 한국표준과학연구원 책임연구원

4. 전문 분야 정보
○ 촉각센서/액츄에이터 분야

5. 발표논문 및 특허
○ "Tactile sensor for curved surfaces and manufacturing method thereof“, No. 8049591, 미국특허등록, 2011
○ "접촉힘 세기 또는 압력 세기를 감지하는 촉각센서가 구비된 조도 조절 가능한 전계 발광소자, 이를 포함하는 평판표시장치, 이를 포함하는 휴대기기 키패드 및 이의 작동방법“, No. 1071672, 국내특허등록, 2011
○ "곡면형 촉각센서 및 그 제조방법“, No. 1258897, 국내특허등록, 2013
○ "촉각센서의 곡면 부착구조 및 촉각센서의 곡면부착방법“, No. 1312553, 국내특허등록, 2013
○ "Structure and method for attaching tactile sensor to curved surface“, No. 8564397, 미국특허등록, 2013
○ "스마트 엘이디 신발“, No. 10-0104438, 국내특허출원, 2014
○ "촉각센서와 발광소자를 융합한 스마트 스위치 및 그 제어방법“, No. 10-0033225, 국내특허출원, 2015

posted by 글쓴이 과학이야기

실리콘웨이퍼는 메모리 반도체 제작의 핵심입니다.

실리콘웨이퍼는 모래나 규석에서 추출한 순도  99.9999%의 실리콘 원료를 가열시켜 둥근 막대형의 실리콘봉을 만들고 이를 다시 원판 모양으로 얇게 잘라낸 것입니다.

이렇게 만들어진 실리콘웨이퍼 위해 복잡한 공정이 더해져 메모리 소자가 만들어지는 것인데요.

KRISS(한국표준과학연구원) 나노소재평가센터 엄대진, 문창연, 구자용 박사팀이 기존 실리콘웨이퍼를 붕소(B)로 가공하는 방식으로 테라바이트(Tera Byte)급 비휘발성 메모리를 제작할 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

*비휘발성메모리 : 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지하는 메모리 형태. 플래시메모리, ROM, 자기저항메모리, 전기저항 메모리 등이 해당.

기본적으로 메모리의 구조가 간단해지면 보다 많은 디지털 정보 저장이 가능하겠지요.

연구팀은 간단한 공정으로 실리콘웨이퍼 표면 원자 각각에 ‘0’이나 ‘1’의 이진정보를 쓰고 지울 수 있는 초고집적 비휘발성 메모리 기술을 개발하고 그 동작원리를 밝혀냈습니다.

연구팀은 실리콘웨이퍼에 일정량의 붕소(B)를 주입한 후, 열처리하면 표면에 노출된 실리콘 원자들의 상호거리가 늘어나는 것을 확인했는데요. 이렇게 만들어진 표면의 원자 하나하나는 외부 전기 자극에 의해 두 가지 안정된 상태로 변형됩니다.

 

실리콘 표면 원자에 이진 정보를 순차적으로 기록하는 과정(좌) 실리콘 표면 원자에 이진 정보를 순차적으로 기록하는 과정(좌) 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope)을 이용해서 실리콘 표면 원자에 전기 자극을 주면 표면 원자의 높이가 높아진다. 이는 개별 표면원자에 이진(0,1) 정보를 성공적으로 저장할 수 있다는 것을 의미한다. 이때 제일원리계산법을 이용하면 실리콘 표면 원자가 갖는 두 가지 안정된 형상의 원자 구조를 알 수 있다.

 

실리콘 표면 원자가 변형되면 전류 공급이 끊어진 후에도 그 상태를 유지하는 비휘발성 특성을 보이는데, 이는 원자 하나하나가 디지털 정보를 저장할 수 있다는 것을 의미합니다.

연구팀은 결함이나 인공 구조물이 아닌 정상적인 표면 원자를 이용하여 실험을 성공시켰기 때문에 향후 상용화 하는데 제약이 크지 않을 것으로 기대되는데요.

이전까지는 불규칙하게 분포하는 결함 구조나 인공구조물을 이용하여 원자 스케일에서의 메모리 기능을 시연할 수 있었지만, 위치 제어 등의 어려움으로 응용 가능성이 매우 낮았습니다.     

하지만 KRISS 연구팀의 방법처럼 실리콘웨이퍼에 직접 디지털정보를 넣을 수 있다면 테라바이트(Tera Byte)급 비휘발성 메모리 제작이 가능해 지는 것입니다.

실제 메모리의 정보 저장능력이 집적도에 따라 크게 좌우되는 것에 비춰 현재 상용되고 있는 제품과 KRISS 연구팀의 방법을 비교하면 집적도 차이가 최고 300배, 아울러 현재의 플래시 메모리는 24~32개 층이 적층된 구조이기 때문에 동일한 층수로 환산하면 실제 저장 밀도는 약 7,000배 정도 증가하게 됩니다.

 

KRISS 엄대진, 문창연, 구자용 박사가 저온 주사터널링현미경 장비를 이용하여 실리콘 물질표면의 원자 및 전자 구조를 측정하고 있다. KRISS 엄대진, 문창연, 구자용 박사가 저온 주사터널링현미경 장비를 이용하여 실리콘 물질표면의 원자 및 전자 구조를 측정하고 있다.

이번 연구 결과는 원자스케일의 기억소자를  구현할 수 있는 원천기술로, 추가 응용연구가 진행되면 한 차원 높은 용량의 비휘발성 메모리 제작이 가능할 것으로 기대됩니다.

한편, 이번 연구 결과는 Nano Letters(impact factor: 12.94) 2015년 1월판 (1월 14일; 권 15, 페이지 308-402)에 게재되었습니다. 

연구요약

(111) 방향의 실리콘 웨이퍼에 붕소(B)를 많이 주입한 후 열처리하면 표면에 노출된 실리콘 원자들의 상호 거리가 원래보다 √3 (루트 삼) 배 늘어난다.

이렇게 만들어진 표면의 원자 하나하나는 외부 전기 자극에 의해 원래와는 다른 또 하나의 안정된 상태로 변형될 수 있다는 것을 실험적으로 발견하였다.

이 변형된 상태는 실리콘 표면 원자에 두 개의 전자가 추가로 결합된 소위 바이폴라론(bipolaron) 상태임을 실험과 이론분석을 통해 밝혔다.
 
한편 표면 원자의 두 안정된 상태 사이의 천이(transition)는 여러 번 반복해도 손상이 없는 가역과정이었으며, 각각의 상태는 외부의 전기 공급이 끊어져도 그 상태를 그대로 유지하는 비휘발성 특성을 보였다.

이러한 특성 때문에 웨이퍼 표면의 원자 하나하나가 디지털 정보를 저장할 수 있는 비휘발성 메모리로 사용될 수 있다.


연구팀은 실리콘 웨이퍼 표면의 원자 하나하나에 ‘0’ 이나 ‘1’의 이진(binary) 정보를 쓰고 지울 수 있는 초고집적 비휘발성 메모리 기술을 개발하고, 그 동작 원리를 밝혔다.

이 연구 결과는 Nano Letters (impact factor: 12.94) 2015년 1월판 (1월 14일; 권 15, 페이지 308-402)에 게재 되었다.

 

 연구팀 프로필

 

엄대진 박사

○ 성 명 : 엄대진 (선임연구원)
 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 나노소재평가센터

 ○ 1995 서울대학교 물리교육과 이학사
 ○ 1997 서울대학교 물리학과 이학 석사
 ○ 2005 The University of Texas at Austin 물리학과 이학 박사

경력사항
 ○ 1997 – 1999, ㈜LG반도체 연구원
 ○ 2005 – 2005, The University of Texas at Austin 박사후 연구원
 ○ 2006 – 2010, Columbia University 박사후 연구원
 ○ 2010 – 2011, Brookhaven National Laboratory 박사후 연구원 
 ○ 2011 – 현재, 한국표준과학연구원 선임연구원

학회활동
 ○ 미국물리학회 회원
 ○ 미국진공학회 회원
 
전문 분야 정보
 ○ 표면 물성, 저온 물성, 원자 및 전자 구조 측정
 
발표논문 및 특허
 ○ “Edge Structures for Nanoscale Graphene Islands on Co(0001) Surfaces” ACS Nano, 2014년 5월 등 다수
 ○ "붕소가 도핑된 실리콘(111)-표면에서 √3x√3 단위 격자가 가지는 두 가지 안정된 형상을 이용하는 메모리 소자 및 이의 동작방법" 국내 특허 출원

 

문창연 박사

○ 성 명 : 문창연 (선임연구원)
 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 나노소재평가센터

 ○ 1999 KAIST 물리학과 이학사
 ○ 2001 KAIST 물리학과 이학 석사
 ○ 2005 KAIST 물리학과 이학 박사

경력사항
 ○ 2005 – 2007, 미국 National Renewable Energy Lab. 박사후 연구원
 ○ 2007 – 2008, KAIST 물리학과 박사후 연구원
 ○ 2008 – 2011, 연세대학교 물리학과 박사후 연구원
 ○ 2011 – 2012, 포항공대 화학과 박사후 연구원 
 ○ 2012 – 현재, 한국표준과학연구원 선임연구원

학회활동
 ○ 미국물리학회 회원
 ○ 한국물리학회 회원
 
전문 분야 정보
 ○ 반도체, 나노구조, 강한 전자상호작용물질의 전자구조 이론계산
 
발표논문 및 특허
 ○ “Antiferromagnetic exchange interactions among dopant electrons in Si nanowires” Physical Review B, 2014년 12월 등 다수
 ○ "붕소가 도핑된 실리콘(111)-표면에서 √3x√3 단위 격자가 가지는 두 가지 안정된 형상을 이용하는 메모리 소자 및 이의 동작방법" 국내 특허 출원

 

구자용 박사

○ 성 명: 구자용 (책임연구원)
 ○ 소 속: 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 나노소재평가센터
 
 ○ 1981 서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1983 KAIST 물리학과 석사
 ○ 1987 KAIST 물리학과 박사

경력사항
 ○ 1987–현재: 한국표준과학연구원 근무
 ○ 1999–2008: 과학기술부 창의적 연구진흥사업 이종성장제어연구단 단장
 ○ 2008: 표준연 영년직 연구원 선정
 ○ 2012: 교육과학기술부 과학기술훈장 도약장 제111호

학회활동
 ○ 미국물리학회 회원
 ○ 한국물리학회 회원
 ○ 한국진공학회 회원
 
전문 분야 정보
 ○ 정밀측정장비 개발, 표면원자 구조 측정
 
발표논문 및 특허
 ○ “Adsorption of CO Molecules on Si(001) at Room Temperature”J. Phys. Chem. C 118, 21463 (2014) 등
 ○ 특허 제10-0798468호 "공기부양식 운송시스템" 등

 

 

posted by 글쓴이 과학이야기

이번 런던 올림픽 펜싱 종목 여자 에페 개인전에서 신아람 선수는 ‘멈춰버린 1초’ 때문에 금매달을 빼았겼습니다.

이 경기에서 이긴 독일 선수 하이데만은 최근 인터뷰를 통해 “1초가 남긴 했지만 그러나 그것이 1.99 초인지, 0.99초인지 아무도 알 수 없었고, 가장 큰 문제는 시계가 제대로 작동되지 않았다는 것”이라고 말하기도 했는데요.

타이머에 1초가 표시는 경우 실제 남은 시간은 1초 이하입니다.

그런데 이번에 공개된 비디오 판독에서 마지막 세 번의 공격에 걸린 시간은 약 1.42초여서 공정하지 못했음을 드러냈습니다.


남자 자유형 200m 경기에서 박태환 선수는 2위로 터치패드를 찍었지만, 중국의 쑨양 선수와 동시에 1분 44초 93을 기록했습니다.

만약 0.001초 까지 측정이 됐다면 박태환 선수와 쑨양 선수의 우열을 분명히 가릴 수 있었을 것입니다.


한국표준과학연구원(KRISS)은 최근 런던 올림픽에서 우리나라 선수들이 석연치 않은 판정으로 금매달을 놓치는 것과 관련해 스포츠 경기에 사용되는 타이머의 측정범위 정확도를 현행 100분의 1초에서 1000분의 1초로 강화해야 한다는 입장을 밝혔습니다.

또 시간의 정확한 측정을 위해 스포츠 타이머와 정확한 표준시를 일치시키는 것도 필요하다고 의견도 내놨는데요.

우리나라 표준시는 표준연의 9대 원자시계에서 생성되며, 이는 국제표준 세계협정시와 300억 분의 1초 이내에서 일치하도록 유지되고 있습니다.

이 표준시는 방송국이나 통신회사에서 전화선이나 인터넷을 통해 표준연 타임서버와 접속, 일치시키고 있으며, 일반 국민들도 표준연 홈페이지에서 ‘UTCk3 프로그램’을 다운받아 표준시를 자유롭게 이용할 수 있습니다.

 

<대한민국 표준시 정하는 KRISS-1>

한국표준과학연구원(KRISS)에서는 3백만 년 동안 1초도 틀리지 않는 대한민국 표준시계 KRISS-1을 개발해 보유하고 있다.
KRISS-1은 순수 국내기술로 개발한 세슘원자시계로 우리나라를 대표하는 1차 주파수표준기(Primary Frequency Standard)다.
2008년 7월 말 발표된 이 시계는 기존 30만년에 1초 오차를 300만년에 1초로 줄여 정확도를 10배나 높였다.
이렇게 정밀한 시계를 만들 수 있는 나라는 한국을 포함해 7 곳(프랑스, 미국, 독일, 영국, 일본) 밖에 되지 않는다.

1초의 정의는 '세슘 원자가에서 나오는 복사선이 91억 9263만 1770번 진동하는 데 걸리는 시간'으로 1967년 국제도량형총회(CGPM)에서 결정됐다.
이 때 결정된 진동수는 주변 환경에 영향을 받지 않을 때를 전제로 한 것이다. 따라서 1초를 정확히 구현하기 위해서는 환경의 영향을 차단한 뒤 세슘원자의 고유한 진동수를 정확히 헤아려야 한다.
이에 연구팀은 자기장, 빛, 중력 등 세슘의 진동에 영향을 미치는 10 여 가지 주변의 물리적 요인에 의한 효과를 배제하여 정의된 1초를 구현하였다. 

KRISS-1 개발 이전 한국은 세슘원자시계 등 해외에서 들여온 세슘원자시계 5대와 수소메이저 4대를 이용해 대한민국 표준시를 산정했다.
KRISS-1이 2009년 2월 국제도량형국(BIPM)에 정식으로 등록되면서부터는 KRISS-1의 데이터가 선진국의 원자시와 나란히 실렸다. 시간 표준 분야에서 우리나라의 위상이 크게 높아진 것이다.

앞으로 KRISS 시간센터에서는 2013년을 목표로 1 억년 동안 1초가 틀리지 않을 정도의 정확도를 가진 세슘원자분수시계를 개발해 세계 최고 수준의 원자시계를 확보할 계획이다.

 

posted by 글쓴이 과학이야기

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 연결된 얇은 막 구조로, 두께는 0.35㎚ 정도로 매우 얇지만 강도와 전기전도성이 매우 뛰어납니다.

최근 터치스크린, 트랜지스터, 광검출기, 화학 생물 검출기, 열전기 장치 등 그래핀의 우수한 물리적 특성을 활용한 다양한 응용연구가 진행되고 있습니다.

또 완벽한 2차원 구조를 구현할 수 있는 그래핀을 이용해 2차원 공간에서 발생하는 새롭고 다양한 물리적 현상을 규명하는 연구도 진행 중입니다.

KRISS(한국표준과학연구원)를 비롯해 미국 표준기관(NIST), 독일 표준기관(PTB) 등 각국의 표준기관에서는 그래핀의 2차원 구조로 인해 발생하는 양자홀 효과를 활용해 양자저항 표준개발을 목표로 연구를 수행하고 있습니다. 

정수용 박사

KRISS 나노양자연구단 정수용 박사가 포함된 미국 표준기술연구원(NIST) 연구팀이 꿈의 신소재 그래핀의 전기적 성질을 외부 역학적 힘으로 조절하는 연구 결과를 발표했습니다.

이번 연구의 공저자인 정수용 박사는 NIST 객원 연구원 재직 당시 실험 및 데이터 분석 등 관련 연구 성과에 주도적인 역할을 했고, 지난 4월부터 KRISS에서 그래핀 표준연구를 수행 중입니다.

기존 그래핀을 활용한 전자소자는 게이트 전극과 같은 외부 전기적 자극을 활용해 그래핀의 전기적 성질을 제어했습니다.

하지만 연구팀은 기존의 전기적 방법을 활용하지 않고, 역학적 방법으로 그래핀의 육각형 구조를 변형시켜 그래핀의 전기적 성질을 조절할 수 있음을 실험적으로 밝혀냈습니다.

탄소원자 한 층만으로 이뤄진 그래핀은 자체적 혹은 외부적 요인으로 탄소 육각형 구조에 변형이 생길 수 있습니다.

이로 인해 그래핀 격자 탄소 원자들 사이에 거리가 변하게 되고, 변형의 세기와 구조에 따라 다양한 전기적 특성이 나타날 수 있습니다.

이번 연구에서는 주사전자현미경(STM) 탐침과 그래핀 사이의 분자들이 서로 잡아당기는 반데르발스 힘, 기판 전극을 이용한 전기력 등을 이용해 그래핀 격자의 변형을 조절했습니다.

특히 그래핀이 원형 대칭 구조로 변형될 경우, 그래핀 내 전자들이 자유롭게 움직이지 못하고 한 지점에 양자점 형태로 모여 있게 된다는 기존의 이론적 예측을 실험적으로 직접 확인됐습니다.

이번 연구는 그래핀 성질을 외부적으로 조절 할 수 있는 방법이 전기적 방법만이 아니라 역학적 방법을 통해서도 가능하다는 것을 제시한 것으로, 늘어나는 전자시계, 휘는 가전제품 등 플렉서블 일렉트로닉스(flexible electronics) 등의 역학적 변형이 필요한 장치에 응용이 가능합니다.

그래핀의 모양이 삼변형 대칭으로 변해서 전기적 성질이 바뀌면 양자홀 효과가 발생했을 때와 비슷한 성질을 나타냅니다.

이러한 원리를 이용하면 극저온 냉장고와 고자기장 없이도 양자홀 효과를 발생해 저항표준기를 개발 할 수 있습니다.

향후 정 박사는 그래핀 기반 양자홀 효과를 이용한 새로운 전기저항표준 개발과 그래핀을 이용한 융합연구 및 측정기술 개발에 집중할 예정입니다.


<원자 해상도 그래핀 주사탐침현미경 이미지>
주사탐침현미경(STM)을 활용해 그래핀을 원자 해상도로 관찰한 모습으로 육각형 모양으로 탄소 원자들이 나열되어 있는 것을 볼 수 있다. 외부 역학적 인자가 존재하지 않는 완벽한 그래핀의 경우 탄소 원자들 사이의 거리는 0.142 nm(나노미터) 이다. 하지만 외부 요인에 의하여 탄소-탄소 사이의 거리 값이 변하게 되면 그래핀의 전기적 성질도 바뀌게 된다.


<STM 탐침과 실리콘 게이트 전극을 이용한 그래핀 단일 막 형태 조절 실험에 대한 개요도>
실리콘 옥사이드에 사전에 제작된 나노 사이즈 구멍위에 올려진 그래핀은 기판과 붙어 있지 않아 외부 역학적 힘에 의하여 쉽게 그 형태가 변하게 된다. 따라서 STM 탐침과 그래핀 사이의 반데르발스 힘, 그리고 그래핀과 실리콘 게이트 전극사이의 전기적 힘을 이용하여 그래핀 막의 형태를 조절 할 수 있다(그림 1a).  이들 사이의 상관관계로 변형된 그래핀은 마치 핀셋으로 얇은 막을 잡아 당기는 경우처럼 국부적 변형이 일어나게 된다(그림 1b). 하지만 그래핀 막의 거시적 변형은 그림 2에서 볼 수 있듯이 STM 탐침과 그래핀 사이의 반데르 발스 힘이 우세한 경우 위쪽으로 잡아 당겨진 형태의 변형이 발생하며, 반대로 실리콘 전극과 그래핀 사이의 전기력이 우세하게 되면 나노 구멍쪽으로 다가가는 변형이 발생한다.       

 용  어  설  명

양자홀 효과 :
극저온, 고자기장 하에서 2차원적인 전자 시스템의 홀 저항이 물질에 무관하게 기본 물리상수의 비로 양자화 되는 현상, 전기저항표준으로 사용되고 있다.
 

posted by 글쓴이 과학이야기

KRISS(한국표준과학연구원)은 '이달의 KRISS인 상' 5월 수장자로 대기환경표준센터 이정순 박사를 선정했습니다.

이정순 박사는 온실가스 측정 및 분석연구를 지속적으로 수행하면서 2009년부터 3년간 온실가스 측정 분야에 대한 국제비교를 성공적으로 주관해 KRISS의 온실가스 측정능력의 우수성을 대내외에 알린 공로를 인정받았습니다.

국제비교(KC: Key Comparison)는 국가측정표준 분야의 올림픽으로 비유되는 것으로, 국제비교의 수행을 총괄하는 주관기관은 해당 측정 분야의 역량이 세계적으로 인정된 국가표준기관만 수임이 가능합니다.

또 이박사는 그동안 수행해 온 대기 중 육불화황 물질에 대한 분석기술 개발 및 분석능력을 바탕으로 지난해 기상청과 함께 세계기상기구가 정하는 'WMO 육불화황 세계표준센터(WCC)'를 우리나라에 성공적으로 유치하는데 기여했습니다.

WMO 육불화황 세계표준센터 유치를 통해 우리나라는 육불화황 측정분야와 분석기술에 관한 국제적 선도 역할을 수행하게 되었습니다.

(육불화황은 교토의정서 규제대상 물질 중 하나로, 지구온난화 효과가 이산화탄소의 2만 3900배이면서, 대기 중 이산화탄소보다 1/1억 배 정도로 극미량 존재해 측정하기가 매우 어렵습니다. 배출원은 냉매와 반도체 공정, 자동차산업 등입니다.)


 

posted by 글쓴이 과학이야기

나노선은 수 십~수 백 ㎚(10억 분의 1m)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체입니다.

나노선은 독특한 물리·화학적 특성을 갖고 있어 학문적으로 중요한 연구 대상이 되고 있습니다.

또한 각종 미래 첨단 전자소자 구현을 위한 핵심 재료로서 각광받고 있는 분야입니다.

주요 적용 분야로는 차세대 신재생 에너지로 주목받고 있는 고효율 태양전지, 폐열을 전기에너지로 변환하는 열전소자, 질병 유무를 판별하는 폭발물, 마약 탐지 등이 가능한 분자센서 등이 있습니다.

그러나 나노선들이 기판 면에 평행하게 누워있는 구조로 되어 있어, 단일 나노선의 경우 나노 암페어 정도의 매우 적은 양의 전류만을 발생시킬 수 있었습니다.

나노선 소자의 성능은 단위면적당 집적될 수 있는 나노선 개수와 표면적에 비례하기 때문에 수평배열을 갖는 나노선 소자는 구조적인 특성으로는 얻어낼 수 있는 성능에 한계가 있습니다.

이러한 문제는 나노선을 기판 위에 고밀도로 수직정렬 시키면 해결할 수 있지만, 수직 정렬된 각각의 나노선 끝과 안정적으로 전기적 접촉을 성공시키기 위해서는 기술적 문제가 남아 있어 그동안 나노선 기반 첨단 소자의 상용화에 걸림돌로 작용되었습니다.

KRISS(한국표준과학연구원) 나노소재평가센터 이우 박사 연구팀이 대면적의 기판 위에 극미세 가닥 나노선을 수직으로 정렬해 만들고 안정적으로 전기적 접촉이 이루어지도록 하는 기술을 개발했습니다. 
 

(좌) 수직 정렬된 나노선 상부에 구름다리 형태로 걸쳐진 2차원 고분자 박막을 형성시킨 후, 나노선 끝단이 선택적으로 노출될 수 있도록 고분자 박막층을 부분적으로 식각한다. 그 위에 금속을 증착시켜 선택적으로 개별 나노선들 간에 안정적인 전기적 접촉이 이루어지도록 했다.
(우상) 수직 정렬된 나노선 
(우하)상부에 금속-나노선 접촉을 갖는 수직 정렬된 나노선을 주사전자현미경으로 관찰한 모습


연구팀은 수직 정렬된 나노선 상단에 구름다리 형태로 걸쳐진 2차원적 고분자 박막을 입히고, 그 위에 금속을 덧씌워 선택적으로 개별 나노선 사이에 안정적인 전기적 접촉이 이루어지도록 했습니다.

이를 통해 기존의 나노선을 수평으로 배열한 소자에 비해 단위면적당 나노선 집적도가 월등한 소자를 구현할 수 있고, 전류의 양 또한 100만 배 이상을 얻을 수 있었습니다. 

안정적으로 나노선 사이의 전기적인 접합을 구현한 이번 연구결과는 지금까지 수직 정렬된 나노선이 실질적으로 다양한 분야에 응용되기 위한 핵심기술로 평가받고 있습니다.

또한 물질의 종류에 상관없이 다양한 분야에 접목이 가능해 상용화를 위한 핵심기술로 평가받고 있습니다. 

연구팀은 열을 가하면 부드럽게 되어 다른 모양으로 바꿀 수 있는 열가소성을 가진 고분자 막이 특정 온도에서 액체형태로 완전히 녹지 않고 어느 정도의 유동성 만을 갖는다는 점에 주목했습니다.

또 개별 나노선 표면이 갖는 본래의 물리·화학적 특성은 변화시키지 않는다는 특징도 이용했습니다.

그 결과 수평정렬 나노선 소자에 비해 탁월한 성능을 갖는 수직정렬 나노선을 기반으로 한 기체분자 센서를 성공적으로 제작했고, 이 기술이 실질적으로 응용될 수 있음을 확인했습니다.

이 기술은 기존 반도체 소자 제작 공정에 비해 비용 및 시간 측면에서 매우 경제적이며, 다양한 나노선 물질에 적용될 수 있습니다.

이 수직 정렬 나노선으로 고효율 태양전지, 열전소자, 압전소자, LED 소자, 분자센서 등 다양한 첨단소자를 구현할 수 있을 전망입니다.

연구팀은 이번 연구결과를 바탕으로 나노선 기반 고효율 에너지수확 장치 개발 및 상용화를 추진 중입니다.

연구팀은  이번 연구개발에 앞서 실리콘 나노선의 결정학적 배향, 크기, 형상을 자유자재로 제어할 수 있는 원천기술을 개발해 세계적 권위의 나노기술 학술지인 나노레터스(Nano Letters), 에이씨에스 나노(ACS Nano) 등에 발표한 바 있습니다.

이번 연구는 세계적 권위의 재료 학술지인 '어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)' 05월 2일자에 게재되었습니다.

수직정렬 나노선 소자의 전기적 특성을 평가하고 있는 모습

한희 박사(왼쪽), 이우 박사(오른쪽)

 

 용  어  설  명

나노 암페어(nA) :
암페어는 전류의 단위로, 1 나노 암페어는 10억분의 1 암페어

 

posted by 글쓴이 과학이야기

KRISS(한국표준과학연구원)이 매월 선정하는 '이달의 KRISS인상' 4월 수상자로 길이센터 김종안 박사(41)가 선정됐습니다.

김종안 박사는 군사 전략물자로 분류되어 수출입이 엄격히 제한되고 있는 초고정밀 각도 표준기를 개발했습니다.

<관련글 : 1000km 밖의 미사일도 잡아내는 레이더 각도 측정기
                                                   http://daedeokvalley.tistory.com/235>

각도센서는 미사일이나 레이더와 같은 군사시설의 성능을 결정하는데 핵심 요소로, 분해능이 1초 보다 작은 고성능 각도측정기의 경우 제품의 수출입 뿐만 아니라 기술 공개도 엄격히 통제되고 있습니다.

김 박사의 연구 이전에는 국내의 각도 센서 제작 기술은 수십 초의 분해능을 구현하는 데 그쳤습니다.

정밀한 각도 센서를 제작하기 위해서는 가공, 평가, 개선 등의 과정을 거쳐야 하는데, 이번 기술개발을 통해 평가 능력을 크게 향상시켰으며, 기존의 각도 센서보다 정확한 센서를 제작할 수 있는 기반을 마련했습니다.

posted by 글쓴이 과학이야기
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