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선박이나 항공기의 금속에 충격이 누적돼 발생하는 피로파괴는 육안으로는 확인하는 것이 불가능에 가깝기 때문에 비파괴검사기법이 주로 사용됩니다.

최근 비파괴진단법은 항공기나 선박의 크랙 탐지는 물론 반도체 기판의 결함 탐지 등으로 응용범위가 확대되고 있는데요.

하지만, 현재 비파괴진단 기술은 보다 선명한 화질 개선과 함께 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 요구되고 있습니다.

이런 비파괴진단 검사의 근본적인 요구사항을 해결하기 위해서는 기존 자연계 물질이 갖지 못하는 고 굴절률 및 고 임피던스를 갖는 음향메타물질을 구현해 음향신호가 감쇠되는 문제를 해결하고, 또 이를 뒷받침할 고성능 음향 송·수신 기술을 개발해야 합니다.

외부 전력 없이도 음향신호 10배 증폭하는 기술

한국기계연구원 나노자연모사연구실 송경준 박사와 허신 박사는 부경대 기계공학과 김제도 교수와 공동으로 전원 없이 음향신호를 최대 10배까지 증폭할 수 있는 기술이 개발해 주목받고 있습니다.

고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물


공동 연구팀이 개발한 기술은 지그재그 형태의 인공구조물을 통해 음파의 경로를 제어함으로써,이 구조물을 통과하는 음향 신호를 증폭하는 것이 핵심인데요.

이를 응용할 경우 초음파, 의료기기, 비파괴검사 등 다양한 분야에서 획기적인 발전이 있을 것으로 전망됩니다.

연구팀은 작은 소리의 파장보다도작은 초소형 인공구조물을 지그재그 형상으로 설계하고, 외부 음파 신호가 이 구조물을 통해 센서에 전달되도록 했는데요.

이 경우 구조물을 통과하는 음파의 진행 경로가 증가돼 기존 공기나 물 등 신호를 전달하는 자연계 매질이 갖지 못하는 고 굴절률(Refractive Index)과 고 임피던스(Impedance)의 특성이 나타나는 것을 확인했습니다.

음향 증폭 구조물 실험 장치음향 증폭 구조물 실험 장치

고 굴절률과 고 임피던스를 동시에 구현하면 음파의 진행속도를 줄여 소리를 작은 공간에 집중시킬 수 있기 때문에 음압(Sound Pressure Level) 증폭이 가능해지 것에 주목한 연구팀은 별도의 전원 없이 인공구조물만 활용해 음압을 증가시켜 기존의 음향 시스템의 송·수신 감도를 10배 향상시키고, 기존에 감지가 불가능하였던 미세한 신호까지 감지하는 데 성공했습니다.

또 인공구조물의 형상을 변화시키는 방법으로 신호의 증폭률과 공진주파수도 자유자재로 조절할 수 있게 됐고요.

인공구조물이 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작되기 때문에 초음파 등 파장이 극히 짧은 송수신 시스템에는 기기장치의 초소형화도 가능해졌습니다.

이번 연구는 송수신 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작돼 기존 음향기술인 헬름홀츠 공명기가 가졌던 크기의 한계를 소리의 파장보다 작은 구조물로 구현한 것에 큰 의미가 있고요.

이는 향후 초음파, 의료기기, 비파괴검사를 비롯해 플랜트 안전진단 분야, 수중통신 분야 등에도 폭 넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’  2014년 12월 11일 게재됐습니다.
   ※ 논문명 : Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity. 

 용 어 설 명

임피던스(Impedance)
음파전달 매질의 고유한 물성으로 매질 내의 속도와 음압 사이의 비율

헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)
공명현상을 이용해 복잡한 음(音) 가운데서 특정한 음을 증폭시키는 장치

 

연 구  개 요

Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity
Kyungjun Song, Kiwon Kim, Shin Hur,Jun-Hyuk Kwak, Jihyun Park, Jong Rak Yoon & Jedo Kim


1. 연구배경

비파괴 검사를 적용한 IT 및 정밀 기계 생산 분야에서 초음파 이미징 기술은 결함 탐지에 이용된다.

이를 통해 항공기, 선박 등 크랙 탐지에 사용되었고 최근에는 반도체 기판 결함 탐지 등 응용범위가 확대되고 있다.

그러나 현재 비파괴 진단 기술의 문제점은 화질 개선이 필요하고 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 관건이다.

이러한 비파괴 검사의 근본적인 기술적 문제를 해결하기 위해서 본  연구에서는 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高 굴절률 및 高 임피던스를 가지는 음향메타물질 구현을 통해 음향 신호 감쇠 문제를 해결하고 이를 통해 고성능 음향 송·수신 기술에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구는 최근 2014년 3월에 Scientific reports 논문 게재된 음향 메타물질 송신기술 (Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity)의 후속 연구로써, 동일한 구조체를 이용하여 음향 신호를 송신 감도 뿐만 아니라 수신 감도를 10배 이상의 이득을 얻을 수 있는 음향메타물질 원천기술에 대한 연구를 수행하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 알루미늄 재질로 만들어진 지그재그 형상 인공 구조체를 정교하게 설계하여 작동할 수 있는 초소형 음향 증폭 메타물질을 만들었다.

지그재그 형상을 사용한 이유는 음파의 경로를 증가시켜 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高굴절률과 高임피던스를 구현이 가능하기 때문이다.

음향 증폭률과 공진주파수도 메타물질 형상변화를 통해 자유자재로 조절되기 때문에 원하는 주파수에서 작동할 수 있는 음향증폭기가 설계가 가능하다.

예를 들어 실험적으로 메타물질을 이용하여 13dB 이상 음향 신호 증폭을 측정하였고, 이론적으로는 20dB 신호 이득도 가능함을 알 수 있었다.

본 구조체의 지그재그 형상은 高 굴절률을 기반으로 하기 때문에 현재 널리 사용되고 있는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)보다 매우 작게 설계가 가능하며 이로 인해 디바이스 초소형화가 가능하다.  

(a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석 (e-f) 음향 증폭 시뮬레이션(공진주파수)


또한 연구진은 음향 증폭률이 공기에 국한되지 않고 수중에서도 음향 신호의 증폭을 증명하기 위해 수조 내에서 음향파가 발생 및 측정 하였으며 이를 통해 2배 이상의 음향 신호의 증폭을 확인하였다.

이 실험은 수중에서의 수많은 반사파에 의한 간섭현상을 극복하여 어디에서든지 음파를 이용한 수중통신을 가능하게 할 수 있는 핵심 기술이 될 수 있음을 보였다. 

(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석


3. 기대효과
 

본 연구는 무전원 음향 증폭 디바이스 소형화뿐만 아니라 좋은 신호를 얻을 수 있는 음향 증폭 원천기술로써, 이를 통해 초음파 비파괴검사, 의료 이미징, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting), 수중 통신 등의 다양한 응용분야에 크게 활용될 수 있다.

특히 초음파 비파괴 진단의 압전소자의 센싱 및 액츄에이팅 성능 향상을 통해 구체적으로 고속화 진단이 요구되는 항공기 부품 등의 크랙 탐지, 반도체 기판 결함 탐지에 활용 가능하다.

 

1문 1답

이번 성과가 기존과 다른 점은?(기존 기술과 차이 비교)

이번에 개발된 무전원 음향 증폭 메타물질은 기존의 음향 헬름홀츠 공명기보다 훨씬 작은 구조물을 이용하기 때문에 디바이스 초소형화가 가능하고, 10배 이상의 높은 증폭률을 얻을 수 있다.

어디에 쓸 수 있나?(활용 분야 및 제품)

무전원 음향 증폭이 필요한 고해상도 비파괴 초음파 진단, 고감도 수중통신, 고성능 음향 센서 등에 적용할 수 있다.

실용화를 위한 과제는?

초음파 영역에 적용하기 위해서는 마이크로미터 크기의 메타물질 구조체를 대면적으로 저렴하게 제작 할 수 있는 나노공정 기술과의 융합연구와 시작품 구현 및 성능평가 관련 연구가 필요하다.

실용화 가능 시기는?

현재 실용화 응용 가능성을 실험실 수준에서 규명한 상태이며, 대면적 제조 및 실용화 연구가 수행되면 고해상도 비파괴 초음파 진단 분야에서 향후 응용이 가능할 것으로 기대된다.

산업적, 경제적 파급효과는?

음향 엑츄에이팅/센싱의 원천기술과 밀접하게 연관된 플랜트 안전진단 및 수중 피탐지 구조체 관련 시장 규모는 2025년에 각 142억불, 176억불로 예상되고 있으며, 해당 기술개발 성과를 활용하면 관련 시장의 상당부분을 선점하고 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

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멀지 않은 미래에는 두루말이 모니터, 장갑이나 옷 겉면에 부착된 디스플레이, 접어서 보관하는 TV 등 플렉시블 전자제품이 상용화 될 것입니다. 

이를 실현 가능하게 하는 기술 중 하나가 유연한 기판에서 작동할 수 있는 소자를 개발하는 것인데요. 특히 인쇄형 전극의 경우 은나노입자가 우수한 전기적 기계적 성능을 갖고 있지만 생산 가격이 높다는 한계를 갖고 있습니다.  

이에 따라 은나노입자의 대안으로 구리나노입자 기반 기술이 제시돼 왔는데요.

하지만, 구리나노입자는 표면 산화막 형성에 따른 제어의 어려움으로 인해 전도성이 떨어지고, 열처리 공정에 한계가 있어 상용화에 어려움을 겪었습니다.

가격경쟁, 성능경쟁 가능한 구리나노입자 개발

한국화학연구원(이하 화학연) 최영민 박사와 정선호 박사팀, 조예진 연구원(주 저자)은 가격경쟁력과 전기전도성이 높은 구리나노입자로 플렉시블 디스플레이, 스마트폰 등에 쓰이는 전자회로를 만들 수 있는 전극 제조기술을 개발했습니다.

이번 연구는 터치스크린, 전자파 차단 필름 등에 쓰이는 연성회로기판의 전자회로를 보다 저렴하고 효율성이 높은 구리나노입자 기반 인쇄형 전극으로 제조할 수 있어 미래 플렉시블 전자산업에 획기적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

연구팀이 개발한 핵심은 산화막이 표면에 형성되는 것을 막아주면서 나노입자를 합성할 수 있는 구리나노입자  합성기술과 1000분의 1초 단위의 광열처리 기술을 통해 공기 중에서 인쇄형 구리배선을 연속으로 제조할 수 있는 기술인데요. 

[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진
(a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진

구리나노입자 합성기술은 구리나노입자의 표면에 산화막이 형성되면 전기가 잘 흐르지 않기 때문에 전자배선에 쓰이는 구리나노입자의 표면 산화막을 방지하는 것으로, 연구팀은 구리나노입자의 산화막 형성을 방지하면서 나노입자를 합성할 수 있는 기술을 개발했습니다.

또 광열처리 기술은 기존의 열에너지를 이용하는 열처리 공정과 달리 순간적인 광 조사를 통해 나노입자기반 박막의 물리적 화학적 특성을 변화시키는 기술입니다.

이번 연구는 가격경쟁력이 우수한 구리나노입자 소재 활용의 한계점으로 작용했던 산화막 형성을 극복하고, 추가 공정 없이 공기 중에서 연속적으로 제조하는 기술을 제시해 미래 유연소자용 배선의 높은 전도성을 확보하면서도 저가로 간편하게 제조할 수 있어 파급효과가 클 것으로 전망됩니다.

또 이번 연구를 통해 제시된 공정기술은 생산성이 높은 롤투롤(roll-to-roll) 공정기술에 적용이 가능하고, 순간적인 광 조사를 통해 구리입자의 확산 움직임을 적층소자구조에서 효율적으로 제어, 우수한 성능의 소자를 제작할 수 있음을 규명했다는 평가를 받고 있습니다.

연구팀은 이번에 개발한 기술을 국내 전자소자 관련 기업 2곳으로 기술이전, 2~3년 내 상용화 될 전망이고요. 산업계 응용을 보다 확장하기 위해 추가 상용화 연구를 진행하고 있습니다.

아울러 연구팀은 구리 전자잉크를 바탕으로 섬유, 의류 등에 적용이 가능하도록 쉽게 늘어날 수 있는 회로를 3D 프린팅으로 인쇄하는 기술도 개발하고 있습니다.

향후, 구리나노입자 기반 유연 전도성 전극이 적용될 수 있는 플렉시블 전자소자 시장은 2018년까지 150억 달러(10조 6,000억 원)으로 성장할 것으로 기대되고 있습니다(출처: Conductive Ink Martket 2014-2024 (IDtechEx)).

이번 연구결과는 영국왕립화학회 나노스케일(Nanoscale)지 2015년 2월 21일 자 내부 표지논문으로 선정됐습니다. 
    ※ 영문 제명: Ambient Atmosphere-Processable, Printable Cu Electrodes for Flexible Device Applications: Structural Welding on a Millisecond Timescale of Surface Oxide-Free Cu Nanoparticles  


2015년 2월 Nanoscale 표지 (Inside back cover)


 용 어 설 명

표면 산화막 형성이 제어된 구리나노입자 
저온 소결 공정을 통해 금속나노입자 기반 전극을 형성함에 있어서 표면 산화막은 소결거동을 제약하는 동시에 전극의 전기적 특성을 제한함.
따라서, 쉽게 산화가 되는 구리나노입자의 경우 표면 산화막 형성이 제어된 구리나노입자를 합성하는 기술이 핵심적으로 필요함.  
 
광열처리
기존의 열에너지를 이용하는 열처리 공정과 달리 1/1000 초 단위의 순간적인 광조사를 통해 나노입자기반 박막의 물리적 화학적 특성을 변화시키는 기술

롤투롤
기판에 회로배선을 인쇄형으로 연속 제조할 수 있는 기술. 대면적 전도성 박막을 높은 생산성으로 제조할 수 있음. 

적층소자구조
디스플레이 등에 쓰이는 전자회로 기판에는 여러 층의 소자들이 겹겹이 쌓인 구조를 이루고 있으며, 원하는 성능을 나타내기 위해서는 이 층 사이에 원자가 확산하는 것을 효율적으로 제어하는 것이 필요함

 

구 개 요

1. 연구배경

미래 전자소자의 발전방향은 대면적 기판의 적용이 가능한 저가의 소재/공정기술을 바탕으로 유연기판상에 다양한 기능성을 가지는 소자를 제작하는 흐름임.

소자의 제작을 위해 필요한 다양한 적층화 공정에서 가장 필수적인 소재는 전극소재이며, 기존의 증착 및 광학전사법이 배제된 신규 소재 및 공정기술의 개발이 필수적임. 최근 금속나노입자 기반의 인쇄형 전극을 개발하는 연구가 활발히 진행되어왔지만, 특성 및 공정성이 우수한 은나노입자는 높은 생산가격으로 인해 한계점을 가지고 있음.

이에 대한 대안기술로서 제시되어온 구리나노입자 기반의 전극형성 기술은 구리나노입자 표면의 산화막 형성 거동 제어의 어려움으로 인해 높은 전도성을 확보하기가 어려우며, 높은 열처리 온도 및 분위기 제어등의 공정상의 제약점이 수반되는 한계점을 지니고 있음.

따라서, 구리나노입자 기반의 인쇄형 전극을 형성함에 있어서 기존 한계기술을 극복할 수 있는 새로운 개념의 소재 및 공정기술의 개발이 필수적임.

본 연구에서는 산화막 형성이 제어된 구리나노입자 합성기술과 광열처리 기술을 기반으로 일반대기 하에서 인쇄형 고전도성 초저가 구리배선의 연속식 제조를 가능케 하는 기술을 개발하였음.


2. 연구내용

본 연구에서는 캡핑 고분자의 화학적 거동을 제어함으로서 구리나노입자 표면의 산화막 형성을 억제하였으며, 순간적인 광조사를 이용하여 구리나노입자간의 소결 거동을 제어함으로서 유연소자 적용이 가능한 인쇄형 구리 전도성 배선을 만들 수 있음.

[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진
[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진

그림 1에서 보듯이, 저온 소결공정시 일반 대기하에서 쉽게 산화가 되는 구리나노입자 기반의 패턴임에도 불구하고, 종이, PET, PES 및 PI 기판을 포함하는 다양한 기판상에서 우수한 전도성 패턴이 공기중에서 용이하게 제작됨을 알 수 있음.

특히, 고내열성이 부족한 PET 및 종이 기판상에서도 소재 및 공정 적합성이 우수함을 확인할 수 있음.

제작된 유연기판상 구리나노입자 기반 배선의 반복 벤딩특성을 평가한 결과, 10000회 동안의 반복벤딩후에도 비저항의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있음.

또한, 이러한 유연특성이 우수한 고전도성 인쇄형 구리 배선의 대면적 적용 가능성을 평가함. 일반적인 열에너지를 이용한 열처리와 달리 광열처리의 경우 짧은 광열처리 구간으로 기판이 연속적으로 이송될 수 있으며, 이를 통해 높은 생산성을 가지는 대면적 전도성 박막을 제조할 수 있음을 보였음.


[그림 2] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선 기반 capacitor의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선 기반 capacitor의 반복벤딩 특성; (c) 인쇄형 유연 구리배선 기반 박막 트랜지스터의 모식도 및 전기적 특성

이렇게 제조된 유연 구리 전도성 패턴의 유연소자로의 적용성을 평가하기 위해 capacitor 및 In-Ga-Zn-O 박막 트랜지스터를 제작하였음(그림 2).

PI, PES 및 PET 기판 상에서 제작된 capacitor의 경우 10000회의 반복 벤딩 테스트 후 축적전하 및 누설전류를 측정하였을 때 소자 성능의 변화가 없음을 확인함.

또한, 구리 전도성 배선을 소스/드레인 전극으로 이용하여 박막 트랜지스터를 제작할 경우, 기존 급속열처리 (rapid thermal annealing)의 경우 산화물 반도체 내부로의 구리의 확산을 제어하기가 어려운 반면, 급속 광열처리의 경우 순간적인 광조사공정으로 인해 구리의 확산을 제어하여 우수한 성능의 소자를 제작할 수 있음을 규명하였음.

새로운 개념의 소재 및 공정기술은 그 연구의 가치를 인정받아  Nanoscale 최신호 (2015년 2월 21일)의 내부 표지 논문으로 선정되었음. (그림 3) 


[그림 3] 2015년 2월 Nanoscale 표지 (Inside back cover)

이번 연구는 한국화학연구원이 미래성장동력을 발굴하고 고유연구 역량을 심화시킬 수 있도록 추진하고 있는 “Top-Down 임무형 주요사업”의 지원을 받아 수행되었음.

3. 기대효과

이번 연구는 기존의 구리나노입자 기반의 인쇄형 유연전극에 대한 공백기술을 극복할 수 있는 소재 및 공정기술을 새로이 제시한 내용임.

금속나노입자 기반 전도성 배선이 요구되는 기존의 다양한 응용분야로의 확장된 적용이 기대되며, 이를 통해 고성능과 가격경쟁력을 동시에 확보할 수 있는 응용제품의 개발 및 시장의 개척이 기대됨.

또한, 평면기판상의 2차원 인쇄가 아닌 현재 많은 관심을 받고있는 3차원 프린팅 공정을 통한 다양한 구조의 소자 제작을 위한 기반기술로 적용될 수 있을것으로 기대함. 

 

최영민 박사

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국화학연구원 그린화학소재연구본부
 ○ e-mail : youngmin@krict.re.kr

2. 학력
 ○ 1985 - 1989 연세대학교 세라믹공학과 학사
 ○ 1989 - 1991 연세대학교 세라믹공학과 석사
 ○ 1999 - 2003 KAIST 재료공학과 박사   
 
3. 경력사항
 ○ 1991 - 2005     한국화학연구원, 선임연구원
 ○ 2007 - 2011     한국화학연구원, 연구정책실장
 ○ 2008 - 현재     과학기술연합대학원, 교수
 ○ 2005 - 현재     한국화학연구원, 책임연구원

4. 전문 분야 정보
 ○ 용액공정용 나노소재 합성 및 소자응용, 웨어러블 소자용 화학소재

정선호 박사

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국화학연구원 그린화학소재연구본부
 ○ e-mail : sjeong@krict.re.kr

2. 학력
 ○ 1998 - 2002 연세대학교 신소재공학부 학사
 ○ 2002 - 2007 연세대학교 신소재공학부 박사  
 
3. 경력사항
 ○ 2007 - 2008     연세대학교 신소재공학부, 박사 후 연구원
 ○ 2008 – 2009     Northwestern University, 박사 후 연구원
 ○ 2009 - 2014     한국화학연구원, 선임연구원
 ○ 2014 - 현재     한국화학연구원, 책임연구원

4. 전문 분야 정보
 ○ 프린터블 기능성 무기소재 합성, 에너지/전자 소자 제작

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스마트폰 화면, PC모니터, TV 등은 단단한 틀을 유지하고 있습니다.

이를 휘어지게 만들면 신문지처럼 말아서 갖고 다닐수 있는 모니터, 옷 겉면을 자유자재로 표현하는 점퍼 등 그 활용도가 무궁무진한데요.

여기에 필요한 핵심 기술은 휘거나 접었을 때 깨지지 않는 디스플레이 구조입니다.

LCD 화면을 구현하는 액정은 유동성이 있으면서도 분자배열도가 우수한 고체적 특성을 동시에 갖고 있으며, 표면에너지나 전기장에 의해 쉽게 배향제어를 할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있습니다.

하지만 유체의 특성상 압력이나 구부림 등 기계적 변형에 취약, 색 번짐 등의 불필요한 광학 특성을 나타나기 때문에 휘어지는 디스플레이를 만드는 데 큰 지장을 초래합니다.

이를 극복할 수 있는 방법으로는 액정을 안정적이고 균일한 크기의 3차원 구형 구조로 만들고서는 작은 사이즈의 얇은 막으로 둘러싸서 캡슐화하는 '3차원 액정 마이크로캡슐화 기술'이 있는데요.

대표적인 것이 콜레스테릭 액정입니다.

콜레스테릭 액정은 나선형의 분자배열을 갖고 고유한 반사특성을 나타내는 기능성 액정으로, 최근 액정 연구 분야에서 매우 활발하게 연구되고 있는 광학 재료입니다.

2013년 NanoMarkets 발표 자료를 보면 기능성 액정캡슐이 적용될 수 있는 플렉시블 액정디스플레이 및 플렉시블 스마트윈도우 시장은 2018년까지 각각 32억 달러(3조 5,000억 원), 7.5억 달러(8,000억 원)에 이를 것으로 전망되고 있습니다.

미세유체소자기술, 액정배향제어기술 개발

한국화학연구원 김윤호 박사와 KAIST 김신현 교수가 주도하고 이상석 KAIST 생명화학공학과 학생(주 저자)은 미세유체소자 기술과 액정배향제어기술을 통해 압력과 구부림 등의 기계적 변형에 강하면서도 모든 방향에서 균일한 색깔을 보이는 특성을 가진 액정 제조 기술을 개발했습니다.

미세유체소자 기술은 공정에 쓰이는 배관을 머리카락 굵기의 모세관으로 만들어 여러 물질의 흐름을 정교하게 제어할 수 있는 기술이고요. 액정배향제어기술은 화학반응으로 발생하는 표면에너지를 이용해 액정 분자를 원하는 방향으로 세우고 눕히는 기술입니다.

이번에 연구팀이 개발한 기술은 미래 유연 디스플레이나 기능성 스마트윈도우 등을 제조하는 데 매우 유용할 전망인데요.

이를 통해 연구팀은 그동안 LCD처럼 2차원 평면구조에만 적용되던 액정 소재를, 유연 디스플레이, 마이크로레이저, 3D 프린팅용 잉크 등 완전히 새로운 형태의 3차원 소자로 적용할 수 있는 가능성도 열었습니다.
 
또 연구팀은 콜레스테릭 액정이 분자의 주기적 배열 때문에 특정한 반사색을 구현할 수 있고,온도 변화에 따라 주기적인 구조에 변화가 생겨 반사 색상이 변화하는 특징에 주목했는데요.

캡슐환 된 기능성 액정 물질이 온도에 따라 색상을 다양하게 변화시킬 수 있는 고유한 특성을 갖고 있는 것에 착안, 색상 변환의 원리에 따라 플렉시블 LCD뿐만 아니라,  온도센서, 기능성 컬러 스마트윈도우 등에도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

연구팀은 이번 연구가 물처럼 흐르는 특성을 지닌 액정을 안정적이고 균일하게 3차원 구형으로 제조할 수 있는 것으로, 유연한 디스플레이, 기능성 스마트윈도우, 마이크로레이저 등 미래 광학전자산업에 획기적인 역할을 할 것으로 보고 후속 연구를 계속할 예정입니다.

한편, 이번 연구결과는 세계적 권위의 어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)지 2015년 1월 27일자 내부 표지 논문으로 선정됐습니다. (영문 제명: Robust Microfluidic Encapsulation of Cholesteric Liquid Crystals Toward Photonic Ink Capsules)

 

 용  어  설  명

콜레스테릭 액정 
콜레스테릭 액정은 기존 액정디스플레이에 사용되는 액정은 네마틱 (nematic) 이라는 상을 가짐. 콜레스테릭 액정은 이러한 네마틱 액정상이 주기적인 나선형의 (helix) 꼬임 분자배열을 가지는 액정임.
액정분자의 주기적인 나선배열로 인해 광결정 (photonic crystal) 구조를 가지게 되어 고유한 반사 및 편광특성을 나타냄
 
미세유체소자 (Microfluidic device)
유리나 고분자 등의 다양한 소재를 이용하여 제작된 마이크로미터 수준의 모세관 채널을 이용하여 여러 종류의 유체의 흐름을 정교하게 제어할 수 있는 미세 소자
다성분의 유체의 흐름을 정확하게 제어할 수 있기 때문에, Lab on a chip 개념의 미세화학반응기 및 진단용 기구로 사용되고 있으며 또한 다양한 물질의 마이크로캡슐화에도 적용할 수 있음.

Advanced Materials
독일 Wiley-VCH사에서 발행하는 응용화학 재료 분야에서 권위 있는 국제학술지 (2014년도 SCI 피인용지수: 15.409)

 

 

 연  구  개  요

1. 연구배경
미래의 디스플레이 및 광학소자 기술의 발전방향은 깨지지 않고 휠 수 있는 저전력 소모의 플렉시블 광학소자라고 말할 수 있음.
우리나라는 세계 최고의 액정디스플레이 기술을 보유하고 있음. 하지만, 유체적인 성질을 가지는 액정의 고유한 특성 상, 기계적 변형 (압력, 구부림 등) 에 매우 취약하고 원하지 않는 광학특성이 나타나는 단점 때문에, 플렉시블 광학소재로 적용하는데 커다란 제약이 있음.
이를 극복하기 위하여 액정을 고분자에 분산하여 방울(droplet) 형태로 만들어 플렉시블 소재화 하려는 시도들이 있으나, 액정 방울의 크기가 불균일하고 액정 물질이 다른 재료에 포함되어 있는 형태이기 고유의 광학특성을 이끌어내는데 어려움이 있음. 이를 위해서는 안정적으로 캡슐화 된 액정 소재의 개발이 필요함.
본 연구에서는 고유한 광학특성을 가지는 콜레스테릭 액정을, 세계최고수준의 미세유체소자 기술을 이용하여 다양한 주변 환경에서도 안정적인 3차원 액정 마이크로캡슐을 균일한 크기로 제조할 수 있는 기술을 개발하였음.

2. 연구내용
본 연구에서는 유리 모세관으로 제작된 미세유체소자를 이용하여  유체의 유량을 정교하게 제어함으로써, 기름/물/액정의 이중액적 (double emulsion) 구조를 만들 수 있음.
이중액적의 가장 가운데에는 액정이 위치하고 물 층이 감싸고 있는 구조임. 물 층은 자외선에 의해 경화가 가능한 수용성 고분자를 포함하고 있기 때문에 이중액적 형성 후 자외선 조사를 통해 안정적인 액정 캡슐을 제작할 수 있음.(그림 1)

 
제조된 액정 캡슐은 액체와 같은 흐름성을 가지는 액정을 포함하고 있음에도 불구하고, 경화된 고분자 층으로 캡슐화 되어 있기 때문에, 공기 중에서도 매우 안정적이며 다양한 용액 상태에 분산도 가능하여 코팅 및 잉크소재로도 적용 가능함.
액정 마이크로캡슐의 크기는 미세유체소자를 통해 흐르는 물질들의 유량에 따라서 제어가능하며 ~100㎛ 수준의 마이크로캡슐을 제조할 수 있음.
캡슐화에 사용된 액정 물질은 규칙적인 주기를 가지는 나선형의 분자배열을 가지는 콜레스테릭 액정으로서, 주기에 따라 결정되는 파장을 선택적으로 반사하는 성질을 가지고 있기 때문에, 그림 1에서 보이는 녹색 파장의 (550㎚) 반사색을 확인할 수 있음.
이러한 반사색상은 액정에 회전성을 부여하는 물질의 함량을 제어함으로써, 가시광 및 기타 파장 영역으로 손쉽게 변환이 가능함. 또한, 캡슐화 공정으로 통해 3차원 적으로 캡슐화 되어 있기 때문에, 기존 LCD에서 나타나는 시야각 문제를 탈피하여 모든 방향에서 동일한 광학특성을 나타내는 큰 장점을 가지고 있음.

액정은 온도에 의해서 분자배열이 바뀌는 물질이기 때문에, 제작된 액정마이크로캡슐을 서로 다른 온도 환경에 놓았을 때, 액정분자의 나선 구조의 주기가 변화하게 되어, 액정 캡슐의 색은 온도에 따라 다양하게 변화함.(그림 2) 

온도에 따른 액정 마이크로캡슐의 색상 변화온도에 따른 액정 마이크로캡슐의 색상 변화


이러한 색상 변환 원리를 통해 온도센서, 스마트 윈도우용 소재 및 파장가변형 마이크로레이저 등으로 활용할 수 있음.

새로운 개념의 액정캡슐 제조기술은 그 연구의 가치를 인정받아  Advanced Materials 최신호 (2015년 1월 27일)의 내부 표지 논문으로 선정되었음. (그림 3)

2015년 1월 Advanced Materials 표지 (Inside back cover)2015년 1월 Advanced Materials 표지 (Inside back cover)


이번 연구는 한국화학연구원이 미래성장동력을 발굴하고 신진연구자의 연구역량을 고취시킬 수 있도록 추진하고 있는 “창의사업”의 지원을 받아 수행되었으며, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 (센터장: 원종찬 박사)와 KAIST 생명화학공학과의 공동연구팀이 수행한 결과임.

3. 기대효과
캡슐화 공정을 통해, 액정을 균일한 크기의 3차원 구형 구조로 만들면, 모든 방향에서 균일한 광학특성을 구현할 수 있으며, 기존 가루 형태의 도료 및 잉크와 같이 손쉽게 취급할 수 있는 소재로 적용할 수 있음.
그 결과 기존에 2차원 평면 구조로만 이용되던 액정을 이용하여 완전히 새로운 형태의 광학소자로의 응용이 가능함.
이번 연구를 통해, 선택적인 반사를 일으키는 기능성 액정 (콜레스테릭 액정)을 안정적으로 정확하게 캡슐화 함으로써, 플렉시블 액정 디스플레이 뿐만 아니라, 3차원 구조의 마이크로레이저, 기능성 컬러 스마트윈도우와 같은 새로운 연구 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대됨.
또한, 최근 각광받고 있는 3D 프린팅의 광학잉크로도 적용할 수 있을 것으로 예상됨.

 

김윤호 박사

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국화학연구원 그린화학소재연구본부 
 ○ e-mail : yunho@krict.re.kr 

2. 학력
 ○ 1999 - 2003 KAIST 생명화학공학과 학사
 ○ 2003 - 2006 KAIST 생명화학공학과 석사
 ○ 2006 - 2010 KAIST 생명화학공학과 박사   
 
3. 경력사항
 ○ 2007 - 2007     Kent State Univ. 액정연구소, 방문연구원
 ○ 2010 - 2011     Washington Univ. in St. Louis, 박사 후 연구원
 ○ 2011 - 현재     한국화학연구원, 선임연구원

4. 전문 분야 정보
 ○ 유/무기 나노소재 합성 및 미세구조제어, 차세대 유기광전자 소재

김신현 교수

1. 인적사항
 ○ 소 속 : KAIST 생명화학공학과
 ○ e-mail : kim.sh@kaist.ac.kr

2. 학력
 ○ 2000 - 2004 연세대학교 화학공학과 학사
 ○ 2004 - 2009 KAIST 생명화학공학과 박사  
 
3. 경력사항
 ○ 2009 - 2010     KAIST 생명화학공학과, 박사 후 연구원
 ○ 2010 – 2012     Harvard University, 박사 후 연구원
 ○ 2012 - 현재     KAIST 생명화학공학과, 조교수

4. 전문 분야 정보
 ○ 연성소재 물리적 거동 및 유체역학, 미세유체소자 기반 기술

 

 

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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

 

 

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한국원자력연구원(이하 원자력연)이 한국형 신형 경수로에 적용될 원자로냉각재펌프(RCP; Reactor Coolant Pump) 성능 실증에 성공했습니다.

원자로냉각재펌프(RCP)는 원자로의 냉각수를 강제로 순환시켜 원자로에 장전된 핵연료에서 발생한 열을 증기발생기로 전달하는 역할을 담당하는 대용량의 수직 원심형 펌프인데요. RCP는 원전의 핵심 설비인 1차 계통 구성을 위한 핵심 기기에 속합니다.

원자력연 열수력안전연구부 조석 박사팀은 최근 2017년 준공 예정인 '신한울 1호기'에 적용된 원자로냉각재펌프(RCP)에 대한 성능검증시험을 완료했는데요.

로써 국내 원전 기술 중 미자립 분야였던 원자로냉각재펌프 성능실증시험 기술을 보유하게 됐습니다.

 

RCP 시험설비를 점검하는 한국원자력연구원 열수력안전연구부

 

원전 비정상 원인 규명 등 현안 해결능력 강화

원자력연의 RCP 시험설비는 온도 343℃, 압력 172기압, 유랑 11.7㎥/s의 성능을 갖춰 상용 원전의 정상 운전은 물론 과도 운전 상태를 모의할 수 있도록 설계됐는데요.

시설 규모가 바닥 면적 2,300㎡, 높이가 30m(지하 1층, 지상 3층)에 이르는 초대형 고온-고압 설비입니다.

 

한국원자력연구원이 개발한 RCP 시험설비

원자력연은 시험설비 구축과 함께 실제 원전의 고온-고압 운전 조건에서 대유량을 정확하게 측정하고 제어할 수 있는 열유체 시험기술과 RCP 회전체 부품의 진동 등을 측정할 수 있는 측정 기술을 동시에 개발했는데요.

이를 통해 실제 원전 가동 중 예상할 수 있는 고온-고압의 정상 운전 조건은 물론 다양한 사고 상태에서 RCP 성능이 제대로 발휘할 수 있음을 검증했습니다. 

우리나라는 이번 RCP 시험설비의 성공 운용으로 해외기술 종속에서 탈피, 수출 원전에 장착될 RCP의 성능 검증시험을 주도적으로 실시해 해외 시장 공략에도 기여할 전망입니다.

이번 RCP 성능시험기술은 APR+ 등 후속 원전의 RCP 개발에 활용되고, 아울러 현재 가동 중인 RCP의 비정상 원인 규명 등 운전 신뢰성 확인 시험에 활용될 수 있어 우리나라의 원전 1차 계통 현안 해결능력을 높일 것으로 기대됩니다.

뿐만 아니라 축적된 시험결과는 산업 현장에서 다양한 형태의 고유량 고온-고압 펌프 개발에 활용 가능하고요.

시험설비를 일부 보완하면 높은 차압과 고유량 조건에서 운전되는 다단 오리피스, 밸브류 등 대형 유체기기 시험과 대유량 시설의 안전 현안 규명에도 활용될 수 있습니다.

신형 경수로 APR1400 적용 목표

이번 연구는 신형 경수로 'APR1400' 적용을 목표로 두산중공업㈜이 설계·제작 및 핵심기술 개발의 주관기관을 담당하고, 원자력연이 시험설비 구축 및 성능 검증시험 주관기관을 맡아 RCP 국산화를 추진했습니다.

원자력연이 수행한 RCP 성능시험은 기계, 열유체, 재료, 제어, 계측, 화학 등 여러 분야를 집약한 대용량, 고정밀 시험기술인데요.

세계 최고 수준의 미국 웨스팅하우스(Westinghouse)와 유럽연합 아레바 등 글로벌 원자로 설계기업만 보유하고 있는 전략 기술입니다.

원자력연은 RCP 국산화를 목표로 2007년부터 실험설비를 구축, 설계, 시험적용 기술 개발 등을 수행한데 이어 2012년에는 시험설비 건설과 시운전을 완료하고 성능검증 시험을 수행했습니다.

 

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신 년 사


존경하는 한국원자력연구원 가족 여러분! 2015년 새해가 밝았습니다. 

지난 한 해 동안 국가 원자력 연구개발 현장에서 최선을 다해 노력해 주신 직원 여러분께 감사드립니다. 을미년 올 한 해도 여러분과 여러분 가정에 건강과 행복이 깃들기를 기원합니다. 

시간이 화살처럼 빠르다는 말을 그 어느 해보다 실감한 2014년이었습니다.

작년 이맘 때 바로 이 자리에서 취임인사를 전하던 때가 엊그제만 같은데 벌써 일 년의 시간이 지났습니다. 그동안 기관장으로서 얼마나 열심히 뛰었는지 새해를 맞는 오늘 다시금 되새겨보게 됩니다. 

“꿈꿔라. 꿈꿀 수 있는 것은 무엇이든지 이룰 수 있다”는 괴테의 명언을 전하며 청마의 기상으로 꿈을 쫓아 매진하자는 그때의 초심을 잃지 않도록 저부터 더욱 분발하겠습니다.   

한국원자력연구원 직원 여러분!

지난 한해도 우리 모두는 꿈을 이루기 위해 힘껏 달려왔습니다.

국가적으로도 커다란 기대를 받고 있는 연구용원자로 기술을 사상 처음으로 유럽에 수출하는 쾌거를 올렸습니다. 프랑스 아레바(AREVA)와 독일의 누켐(NUKEM)-러시아 니켓(NIEKET) 컨소시엄 등 세계 굴지의 글로벌 원자력기업과 치열한 경합 끝에 쟁취한 성과라는 점에서 의미가 큽니다.
 
ITER 국제기구로부터는 ITER에서 발생 예상되는 방사성폐기물을 원격으로 처리하는 기술 개발 과제를 수주하기도 했습니다.

우리 연구원이 독자 개발한 원심분무 기술을 이용해 제조한 U-Mo 핵연료 분말은 프랑스와 벨기에에서 본격 성능 검증에 들어가기도 했습니다.

우리가 보유한 원천기술이 글로벌 핵비확산에 기여함으로써 국제위상 제고에도 큰 몫을 하고 있습니다. 원자력을 이용해 수소를 대량 생산할 수 있는 ‘초고온가스로’의 피복입자핵연료 시제품이 연소성능시험에 성공하는 성과도 올렸습니다.

파이로프로세싱과 소듐냉각고속로 등 제4세대 원전 개발과 원자력 안전연구, 하나로 운영 및 이용 연구, 제염해체 기술개발 등에서도 크고 작은 이정표를 세웠습니다.
 
연구원이 기술출자 방식으로 설립한 국내 제1호 연구소기업이 코스닥 상장심사를 통과하는 한편, 연구원 보유 특허의 중소기업 무상 이전 등 원자력 창조경제 실현에도 앞장섰습니다.

아울러, 국가 원자력 기술자립의 역사를 한눈에 볼 수 있는‘원자력역사관’과 원자력 연구성과를 직접 체험해보는 ‘원자력체험관’도 문을 열었습니다.

도서관과 기록관, 박물관의 기능을 합쳐 다양하고 통합적인 원자력 정보를 제공하는 ‘원자력 라키비움’도 개관했습니다. 연구원 식당 역시 한층 밝고 개방된 형태로 탈바꿈하였습니다.

각자의 자리에서 최선을 다해 이 같은 성과를 만들어낸 여러분들의 노고에 감사드립니다.

한국원자력연구원 가족 여러분, 우리나라 원자력계는 UAE 상용원전과 요르단 연구용원자로 수출로 한껏 사기가 충만했지만, 후쿠시마 사고와 원전 비리 등으로 한동안 의기소침해 있었습니다. 이에 더해, 지난 연말에는 원전 해킹 사건까지 터지며 그 입지가 점점 작아져만 가는 현실이 안타깝기만 합니다.

그렇다고 우리가 여기서 주저앉을 수는 없습니다. 위기를 훌훌 털고 일어나 우리의 선배들이 그랬듯 다시 뛰어야만 합니다. 
 
우선, OYSTER 사업과 JRTR 건설사업을 차질 없이 추진하고 인력확보에 전력을 다해 연구로의 추가 수출에 박차를 가해야 합니다. 

SMART 원자로와 관련해서는 지난 연말 설립된 SPC를 중심으로 사우디아라비아, 말레이시아 등 잠재 수요국을 대상으로 수출 노력을 강화해야 합니다.

안전연구 분야에서는 국제공동연구인‘OECD-ATLAS’를 주도하며 이를 한층 강화하는 한편, ‘고밀도 저농축 연구로 핵연료’기술을 활용한 국제 핵비확산 실현에도 노력해야 합니다.

수출용 신형 연구로 건설 사업은 원자로 및 계통 설계, 부대시설의 상세설계와 건설허가 신청 후속 작업을 차질 없이 진행해야 합니다. 
 
파이로프로세싱 기술개발은 각 단위공정별로 성능시험을 수행하고, ACPF 에서의 실증실험에 대비한 모의 사용후핵연료 시험을 완수해야 합니다.

파이로 기술과 연계한 소듐냉각고속로 기술개발은 150MWe급 원형로 NSSS(핵증기공급계통) 예비설계를 완료하고, STELLA-2의 기본설계를 수행할 예정입니다.

초고온가스로 분야에서는 자체 개발한 설계해석 코드 검증과 초고온헬륨루프를 이용한 고온 특성 평가 실험을 수행하게 됩니다.

원자력시설 제염․해체 기술 분야에서는 국내 원전 해체 시대를 대비하고 해외 해체시장 진출을 목적으로 추진 중인 ‘원자력시설 해체종합연구센터’예비타당성평가가 완료될 예정입니다.
 
이 밖에도, 하나로 및 냉중성자 시설을 이용한 중성자 이용연구와 비발전 분야의 융복합을 통한 기술사업화에도 더욱 노력해야 합니다. 또한, 연구원이 국민과 소통하고 다가서기 위해 추진하는 ‘(가칭)원자력공원’조성사업도 우리의 비전과 노력, 개방성이 제대로 구현될 수 있도록 추진해 주시기 바랍니다.

직원 여러분!

어려운 여건 속에서도 우리는 KAERI인이라는 자부심과 열정으로 연구에 매진하는 것이 우리에게 주어진 사명이라고 생각합니다.

예산과 인력에 발목이 잡혀 창의적 과제수행과 자율성 확보가 어렵다는 점 잘 알고 있습니다. 

우리를 바라보는 외부의 시선 역시 곱지만은 않다는 점도 항상 염두에 둬야만 합니다.

현실성 없는 연구에 예산만 쓴다거나 원자력연구원 과제는 ‘철밥통’이라는 외부의 인식 타파에 노력해야 하는 이유이기도 합니다.

이렇듯 우리 조직이 당면한 내외부의 문제점을 극복하기 위해서는 무엇보다 우리 스스로 변화하고 혁신하는 노력이 필요합니다.

저는 올 한해 조직 재정비와 시스템 효율화로 돌파구를 찾고자 합니다.
 
우선, 책임의식과 권한 분배를 통한 실질적 책임경영제를 실현하겠습니다. 책임자 스스로 주인의식을 갖고 업무를 주도하는 시스템을 구현해나갈 계획입니다.

다음으로는, 내부경쟁을 확대하여 무사안일주의와 매너리즘을 극복해나갈 것입니다. 적당주의와 온정주의를 배격하여 단 한 사람의 무임승차자도 생기지 않도록 해야겠습니다.

또한, 연구원 여러 직종간의 갈등과 괴리감을 치유하고, 내부의 갑을관계를 청산할 수 있는 경영관리 혁신도 필요합니다. 여기에는 소통과 협력문화가 반드시 전제되어야 합니다.

직종간․직급간․세대간․상하간․동료간 소통과 협력은 조직 일체감 조성뿐만 아니라 업무 생산성과 효율성 강화에도 크게 기여할 것입니다.

사랑하는 직원 여러분! 을미년 새해 우리 모두 함께 뛰어 봅시다.

저는 여러분이 도전과 열정을 불태울 수 있는 연구환경 조성과 공정한 원칙을 통한 성과평가 환경을 만들기 위해 최선을 다하겠습니다.

제가 이곳 KAERI에서 꾸는 모든 꿈은 반드시 여러분과 함께 하는 꿈이어야 함을 한시도 잊지 않겠습니다.

모든 KAERI인 여러분, 새해 복 많이 받으시길 기원합니다. 감사합니다.

2015. 1. 2

한국원자력연구원 장  김 종 경

김종경 한국원자력연구원장

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시 무 사

직원 여러분!

2015년 을미년 새해가 밝았습니다.  

올해는 평화와 행운을 상징하는 양의 해입니다.

특히 청양의 해로 그 어느 해보다 진취적이고 긍정적인 기운이 가득할 것으로 기대됩니다. 직원여러분 모두가 꿈과 희망이 결실을 맺는 한 해가 되기를 기원합니다.


지난 해를 돌아보면, 직원 모두가 합심하여 많은 성과를 이루어냈고, 연구원의 주요임무인 첨단 연구장비와 우수한 연구인력을 바탕으로 기초연구 플랫폼으로 국가과학기술발전에 중추적인 역할을 다하여 왔습니다.


2015년 새해, 역동적으로 활기차게 살아 숨 쉬는 연구원을 만들어 가기 위해 창조마인드로 기관운영을 수행하려 합니다. 

 

첫 번째, 기관임무에 연구개발이라는 새로운 임무를 부여받게 됩니다.

연구원은 지난 26년간 첨단연구장비를 활용하여 대학 중심의 연구지원과 공동연구를 성실히 수행하였습니다. 그동안의 역량을 바탕으로 연구장비와 분석기술을 독자적으로 연구하고 개발하는 새로운 임무를 부여받게 됩니다. 

‘연구지원 및 공동연구 수행’이라는 우리 기관의 설립 목적에‘연구시설․장비 및 분석과학기술 관련 연구개발’을 추가하여 독자적이고 창의적인 연구활동을 우리의 주요 임무에 포함하였습니다.

이러한 연구활동을 위해‘첨단연구장비 개발 및 실용화 지원사업’이 신규과제로 선정되어 국내장비산업 발전을 위한 첫걸음을 시작하게 됩니다.

 

두 번째, 연구부서 및 지역센터는 개별연구가 아닌 융합연구로의 연구재정립이 이루어집니다.

그동안 개별연구 및 개별장비를 통해 분석지원 및 공동연구를 수행해왔다면, 앞으로는 여러 분야 전문가 및 장비를 모아서 그룹으로 연구를 수행하는 부서간, 지역간 융합연구로의 연구부서 개편이 이루어집니다.  대학 교수의 개인연구와 차별화하여, 출연(연)이 부여받은 고유임무에 따른 융합연구로 국가 과학기술 발전과 국가경제에 기여하는 KBSI로 거듭나고자 합니다.

 

세 번째, 세계 최고 수준의 연구시설·장비를 설치·운영합니다.

세계 최고 수준의 연구시설·장비인 수퍼 바이오 투과전자현미경 및 7 테슬라 MRI를 오창본원에 설치하고, NMR-MS 장치를 서울 서부센터에 설치하여 국내외 산·학·연 연구자들에게 연구지원 및 공동연구를 위해 본격 가동하게 됩니다.  

이들 장비를 포함하여 기존 연구장비에 대해서도 선도장비 운영위원회를 구성하여 기관차원에서 보다 체계적이고 발전적인 전략을 수립하여 효율적인 장비활용으로 공동연구를 통한 우수한 성과창출을 만들어 가는 데에 지원하겠습니다.

우리 연구원이 연구장비의 국가기관으로 확고히 자리매김하여 노벨상과 창조경제를 견인하는 데에 큰 역할을 할 수 있도록 최선을 다해주시길 당부드립니다.

 

네 번째 ‘창조경제 실현’을 위해 중소기업과의 상생협력을 추진합니다.

정부는 중소기업지원을 강화하여 ‘창조경제’ 실현이라는 국정과제 임무수행에 적극적으로 수행할 것을 강조하고 있습니다. 우리는 중소기업의 고객편의성과 분석지원 신뢰도를 향상하기 위해 ISO 9001 인증 획득 등 분석지원 품질관리 체계를 정립하고 장비개발과 기술지원을 집중적으로 추진하여 중소기업과의 상생협력을 위해 더욱 노력하겠습니다.

 

다섯 번째 ICT기반의 연구시설·장비 정보 유통 플랫폼 확대 및 활성화를 수행합니다.

국가연구시설장비 총괄・관리 임무의 전담 조직인 NFEC을 통하여 국가차원의 연구시설・장비 투자 효율화 및 공동활용 촉진을 위한 관련 정책 수립지원을 강화하는 한편, ICT 기반의 연구시설・장비 정보 유통 플랫폼의 확대와 활성화를 통해 기관에 부여된 임무를 체계적으로 수행해 나가겠습니다.

 

이 밖에 직원들 직무역량에 필요한 KBSI 아카데미를 본격적으로 운영하고 조직진단에 필요한 직무분석과 국가직무능력표준(NCS)에 기반 한 교육 설계 등 채용에서 교육에 이르기까지의 전주기 인력관리 체계를 마련하겠습니다.

이러한 새로운 길을 나아가는 데 있어 무엇보다 중요한 것은 우리의 하나 된 마음이라고 생각합니다.

 

‘산을 만나면 길을 내고, 물을 만나면 다리를 놓는다’는 옛말처럼 우리가 혁신과 전진을 향한 의지와 역량을 한데 모은다면, 저는 어떤 어려움도 이겨낼 수 있다고 믿습니다.
2015년은 직원여러분과 함께 모든 어려움을 풀어 나가게 되길 바랍니다.  

직원여러분께서도 소망하시는 모든 일 이루시고 변화와 희망의 새로운 연구원을 열어 가는 데 함께 힘을 모아주시기 바랍니다.

 

을미년 새해, 축복이 넘치는 한 해가 되기를 기원합니다.

 

2015년 1월 2일

한국기초과학지원연구원장 정 광 화

 


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한국항공우주연구원과 KAIST 인공위성연구센터가 지난 1월 30일 성공적으로 발사된 나로과학위성이 궤도 정상 진입 후 촬영한 적외선 및 열영상을 공개했습니다.

이번에 공개된 영상은 나로과학위성의 성능 점검을 위해 촬영한 적외선탑재체의 시험영상으로 2013년 2월 17일 촬영한 우리나라 상공 영상과 2월 21일 촬영한 중국 상공 영상입니다.

※ 아래 모든 사진은 한국항공우주연구원 및 KAIST 인공위성연구센터에서 제공한 것입니다.

대한민국 상공, 2013.2.17중국 상공, 2013.2.21

2월 17일자 우리나라 영상은 약 500km 고도에서 촬영된 것으로, 정지궤도(고도 36,000km) 천리안위성 적외선영상과 비교할 때 센서가 정상적으로 동작함이 확인되었습니다.

적외선 영상센서의 해상도는 고도 300km에서 360m, 고도 1500km에서는 1800m 입니다.

나로과학위성에 탑재된 적외선 영상 센서는 지상용으로 사용되는 국산 적외선 검출기 소자 기술을 나로호탑재위성개발사업을 통해 우주급으로 개발한 것입니다.

나로과학위성과 천리안 위성 영상 비교(2.17일자)

 
적외선영상은 지표면의 온도추정이 가능해 적외선영상의 처리 및 실용화 기술 개발을 통한 산불탐지, 도시 열섬현상 및 홍수 피해지역 관측, 화산활동 감시 등과 기상ㆍ기후변화 대응, 재해재난 감시 등 다양한 분야에 활용이 가능합니다.

2.17일자 촬영영상의 온도 분포 변환 영상

 
나로과학위성은 2013년 1월 31일 03시 28분 KAIST 지상국과의 최초 교신에 성공한 후, 1개월의 초기 운용을 성공적으로 수행하고 3월부터는 정상운용을 시작합니다

초기운용기간 동안은 위성의 본체 기본 기능 점검과 탑재체의 기능 시험, 적외선 영상 센서를 이용한 지구 열 영상 자료 수집, 반작용 휠을 통한 자세제어 수행, 이온층 관측센서와 방사선량 측정 센서를 통한 초기 관측 자료 수집, 펨토초 레이저 발진기의 우주 시험 등을 성공적으로 진행됐습니다.

나로과학위성은 앞으로 1년 간의 정상운용 기간 동안 지구 타원궤도(300×1500km)를 하루에 14바퀴 돌며, 탑재된 이온층 관측센서와 우주방사선량 측정센서로 지구 주변의 우주환경을 관측하는 한편 이번 시험영상 촬영에 성공한 적외선탑재체를 이용하여 지구의 열 영상 자료 수집하여 기초연구를 지원할 예정입니다.

또한 펨토초 레이저, 자세제어용 반작용 휠, 적외선영상센서, 태양전지판과 전개용 힌지 등 국산기술의 우주환경 검증을 수행하여 펨토초 레이저 발진기를 통한 우주환경에서의 절대거리 측정기술, 세계 최초의 우주 레이저 광원 기술 등을 확보할 예정입니다.

<나로과학위성 개요>

□ 사업개요
 ○ 사업기간 / 사업비 : '11.2~'13.2 / 20억원
 ○ 주관연구기관 : KAIST 인공위성연구센터
 ○ 주요추진경과
   - 사업착수('11.2), 시스템 요구사항 검토('11.3), 상세설계('11.5), 종합 기능 시험('11.11), 위성체 총조립('12.1), 선적 전 최종점검('12.7), 나로우주센터 이송('12.8), 발사장 시험 및 발사체 접속('12.9~)

□ 주요 제원
 ○ 무게 / 수명 : 100kg / 1년
 ○ 궤도 : 타원궤도 (300km × 1,500km) / 경사각 : 80도
 ○ 임무
   - 위성의 궤도진입 확인을 통한 나로호 발사 성공 여부 확인
   - 타원궤도의 장점을 활용할 수 있는 우주환경 관측임무
   - 우주기초?핵심기술개발의 국산화 우주 기술의 검증

<나로과학위성 적외선 영상 센서 시험 영상>

□ 적외선 영상 센서(IRS) 개요
 ○ 개요
   - 군사용으로 사용되는 국산 적외선 검출기 소자 기술을 나로호 탑재위성 개발사업을 통해 우주급으로 개발한 것으로 중파장 대역의 적외선(MWIR; 3~5μm) 감지 가능
 ○ 주요임무
   - 우주궤도 환경에서의 적외선 영상 획득을 통해 우주환경에서 운영 가능한 국산 적외선 센서에 대한 기술 검증
   - 지표면 또는 해수면에 대한 주, 야간 적외선 영상 획득

□ 대한민국 영상 개요
 ○ 촬영시기 : '13.2.17(일) 오후 1시 37분    
 ○ 촬영 시 위성 자세


 ○ 촬영 영상(좌에서 우로 연속 촬영된 영상임)


 ○ 2013년 2월 17일 (일) 오후 1시 37분에 촬영된 열 영상

 ○ 처리영상

IRS 영상 Gray 역상IRS 영상 Gray

IRS 영상 RainbowIRS 영상 Rainbow 역상

  
- 적외선 영상을 이용한 온도 분포 변환 영상


 ○ 적외선 영상 촬영 시점의 나로과학위성과 천리안 영상 비교

□ 중국상공영상 개요
 ○ 촬영시기 : '13.2.21(목) 오후 1시 49분
 ○ 촬영영상


 ○ 천리안 위성 적외선영상과의 비교


<나로과학위성 초기 교신 및 기능 점검 결과>

□ 초기교신 결과
 ○ 비콘 신호 수신
   - 나로호와 분리('13.1.30, 오후 4시 9분)된 후 노르웨이 지상국(트롬소)을 이용하여 1차 비콘 신호를 1월 30일 오후 5시 26분부터 5시 37분까지 수신 하였으며, 총 3번의 패스 기간 동안 성공적으로 수행
 ○ 초기접속
   - KAIST 인공위성연구센터 지상국에서 '13년 1월 31일 오전 3시 28분부터 3시 43분까지 초기 교신 성공
   - 위성의 주 컴퓨터 상태와 배터리의 전압, 태양전지판의 전력 생성 정보, 유닛별 전류 소모량 등 전력계의 상태와 열 제어계의 각 위치별 온도 분포 정보와 자세제어계의 상태정보 등 위성의 상태 정보(SOH)를 수신하여 위성이 정상상태임을 확인

□ 초기 운용 및 기능 점검 결과
 ○ 초기운영 : 1개월 간
   - 1주차 : 위성의 각 유닛별 기능 점검
   - 2주차 : 탑재체의 성능을 확인 (교신시간 실시간 운용)
   - 3주차 : 시나리오 기반의 운용 점검과 데이터 보정
   - 4주차 : 임무 계획 수립 절차에 의한 운용시험

□ 나로과학위성 탑재체 기능 시험 결과
  나로과학위성의 탑재체에 대한 기능 점검을 성공적으로 수행하였으며, 향후 임무 수행 계획에 따라 탑재체 운용을 수행할 예정임
 ○ 이온층관측센서(LP) : 랑뮈어 탐침(Langmuir Probe)을 이용하여 전자 밀도 및 전자 온도 등 이온층의 변화를 관측하는 센서로 1차, 2차 실시간 상태정보 수신 및 우주환경 관측 자료를 수신함
 ○ 우주방사선량 센서(SREM) : 위성의 궤도면 상에 존재하는 우주방사선에 의한 반도체 오류 및 누적 방사선량 측정하는 센서로 초기운용 기간 중 실시간 상태정보 수신 및 센서의 초기 관측자료를 수신함
 ○ 펨토초 레이저 발진기(FSO) : 광섬유를 이용한 펨토초(10-15초 : 1000조 분의 1초) 레이저의 클럭 발진 시험을 위한 탑재체로 초기운용 기간 중 실시간 상태정보 및 레이저 안정화 시험을 수행함
 ○ 적외선 센서(IRS) : 국산 적외선 소자로 구성된 센서로 한반도를 포함하여 지구의 열 영상 관측을 수행함(관측 영상 별첨)
 ○ 반작용 휠(RWA) : 모터의 회전자에 의한 모멘텀 회전 효과(Torque)를 이용해서 위성의 자세를 조정하는 구동기로 1차 회전속도(Speed) 제어 와 토크(Torque) 제어 동작 여부를 확인, 2차 휠을 이용한 위성의 자세제어 시험을 수행함



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분광기란 물체로부터 나오는 빛 파장의 세기를 측정하여 그 정보를 그래프 형태로 나타내는 장치로, 광학, 화학, 해양공학 등 산업분야 전반에서 광범위하게 사용되는 측정기구입니다.

그런데 현재 사용 중인 필터배열 기반 분광기의 경우 해상도를 높이기 위해서는 필터를 보다 더 정교하게 제작하거나 필터의 개수를 증가시켜야 하는데, 이 경우 제작비용 상승은 물론 분광기 크기가 대형화되는 단점이 있었습니다.

이 같은 단점을 극복하기 위해 간단한 수학적 알고리즘을 담은 소프트웨어 기반분광기를 개발되기도 했지만, 여전히 필터제작 공정의 단순화와 분광기의 소형화라는 숙제를 안고 있는 상황입니다.

배열필터 기반의 분광기 시스템

광주과학기술원(GIST)  이흥노 교수가 주도하고 올리버 박사와 이웅비 박사과정생이 참여한 연구팀이 나노해상도 소형분광기에 적용 가능한 랜덤배열 필터를 개발하는데 방법을 찾았습니다.

이번 연구는 불규칙한 저가의 분광기 제작방법을 수학으로 개선할 경우, 기존 필터제작 방법으로 섬세하게 만든 분광기보다 훨씬 더 정교한 분광결과를 만들어 낼 수 있는 가능성을 열고 있습니다.

연구팀은 측정대역 내 모든 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 감지하는 배열필터 방식을 개발하고 이를 소형분광기에 적용한 결과, 반도체팹 공정 방식으로 생산되고 특정 파장의 빛만 감지하도록 제작된 고가의 기존 배열필터보다 해상도가 최대 7배 높게 나타나는 것을 발견했습니다.

또 이를 이용해 인접한 두 파장의 최소 거리가 2.106nm인 수은 등의 스펙트럼을 정확히 측정하는 데도 성공했습니다.

연구팀은 필터의 투과율을 파장별 또 필터별로 랜덤하게 분포하도록 랜덤배열 필터를 만들어냈는데, 그 특성은 다음과 같습니다.

첫째, 하나의 필터는 각 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 투과하며 파장별 투과율이 서로 상이하게 다르도록 한다.

둘째, 서로 다른 두 개의 필터의 투과율 간에 상관관계가 매우 적도록 한다. 랜덤배열 필터는 위의 두가지 특성을 동시에 만족시키지만 정규배열 필터는 첫 번째 특성을 만족하지 못한다.   

연구팀은 비교적 간단한 박막기술을 이용하여 동일한 두께로 층층이 쌓여있는 막의 두께를 임의로 변화시키는 방식으로 전체 파장 대역의 빛을 감지하면서도 투과율을 랜덤하게 조절했습니다.

각각의 랜덤필터는 그 첫째 특성 상 측정대역 내 모든 파장의 빛을 고루 감지하면서도 파장별로 투과율이 서로 상이한 독립적 스펙트럼 정보를 얻게 됩니다.

또 랜덤필터의 둘째 특성 상 랜덤필터는 각각 서로 상관관계가 적은 투과율 필터를 이용하므로, 각각의 필터가 채취한 분광정보는 서로 판이하게 다르며 독립적이 됩니다.

이렇게 수집된 여러 개의 분광정보를 모으면 여러 개의 독립된 정보를 가진 연립방정식을 세울 수 있게 되고, 그것을 풀어 각각의 파장별로 매우 세분화 된 분광정보를 추출할 수 있게 됩니다.

이는 곧바로 무작위로 불규칙적으로 만든 배열필터로, 높은 해상도의 분광정보를 추출함을 의미합니다.

이번 연구결과는 휴대용 분광기 생산의 패러다임을 바꿀 혁신적인 결과로, 비상식적으로 쉽고 간단하게 설계할 수 있는 랜덤필터를 통해 더 높은 해상도를 얻을 수 있다는 사실을 증명한 것으로 평가받고 있습니다.

따라서 이번 연구는 분광기 산업뿐만 아니라 신호처리 방식으로 일차 결과를 개선하는 방법이 널리 쓰이는 광학 이미징 산업이나 비디오 산업에도 상당한 파급 효과를 줄 전망입니다.

이번 연구결과는 광학분야 권위지 Optics Express지 2월 12일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Filters with random transmittance for improving resolution in filter array based spectrometers)

<연 구 개 요>

1. 배경
분광기란 광학 기기로써, 광원 혹은 광원을 투과시킨 물체로부터 얻은 빛을 파장에 대한 스펙트럼 형태로 나타내는 기구이다.
스펙트럼 정보는 관찰하려는 물체의 특징 또는 구성을 나타낸다. 분광기는 단백질 또는 광원 분석, 기름 유출 여부 확인, 행성의 광물 분포 확인, 마약 검출, 음식 성분 조사 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 응용 분야에서 인접한 두 파장에 대한 스펙트럼을 구분할 수 있는 정도를 분광기의 해상도(resolution) 라고 하는데, 이는 분광기의 성능을 판단할 수 있는 중요한 지표이다. 따라서 분광기 산업에서는 분광기의 해상도를 향상시키기 위해 지속적인 노력을 기울이고 있다.

여러 종류의 분광기 중에서 특히 광학필터배열 기반의 분광기는 소형화, 휴대성, 그리고 저가로 생산이 가능하다는 이점이 있다.
특정 파장 영역에서 광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기를 광학필터의 투과율(Transmittance) 이라고 하는데, 각각의 필터는 파장에 대한 함수로 표현될 수 있다.
필터 기반의 분광기에서 각 필터의 투과율의 설계와 필터의 개수가 분광기의 해상도를 결정하는 요인이 된다. 해상도를 증가시키기 위해 필터의 개수를 증가시키는 방법은 자명한 방법이지만 가격이 상승함에 따라서 저가의 휴대용 분광기에 적합하지 않다.

2. 연구결과
광주과학기술원의 이흥노 교수팀은 가공하지 않은 스펙트럼 정보를 이용해서 원래 스펙트럼 정보를 복구하는 알고리즘 개발을 오랫동안 연구해 왔다.
이 연구팀은 2012년 초에 필터배열의 분광기로부터 얻은 스펙트럼 정보를 간단한 소프트웨어를 통해 디지털신호 처리하여서 분광기의 해상도 한계를 최대 1.5배 뛰어넘는 기술을 개발하였다. 이는 2012년 1월에 광학분야의 권위지인 'Optics Express' 에 게재되었다.

배열필터 기반의 분광기 시스템

(a) 이상적인 투과율 (b) 랜덤 투과율


이흥노 교수팀은 지난 연구에서 더 나아가 "해상도를 향상시키기 위한 필터의 투과율은 어떠한 모습을 가져야할까?"라는 의문을 품었고, 일반적으로 사용되는 이상적인 필터를 조사한 결과 관측하려는 파장의 일부분의 스펙트럼 정보만 얻는다는 것을 관찰했다.
이상적으로 정교하게 설계된 필터는 인접한 투과율을 갖는 필터들 사이에 왜곡을 줄이기 위해 일반적으로 사용되어 왔다.
하지만 이 교수팀은 정반대의 독창적인 관점으로 이러한 왜곡을 줄이려고 노력하는 대신 적극 활용하여 관측하려는 파장대역 밖에 대한 유용한 추가 정보를 얻어낼 수 있음을 생각하였다.
그리고, 정보 취득 관점에서 볼 때, 국지적 정보가 아닌 광역적 정보 취득이 분광기에 더 결정적임을 알아냈다.
그러므로 각 파장에 대해 랜덤하게 빛을 통과시키는 필터 배열 (그림2-(b))을 설계함으로써 광역적 정보를 취득하는 새로운 방법을 고안하였다.
그 결과, 기존의 반도체 팹 공정 방식을 이용하여 생산한 필터기반의 분광기에 비해 최대 7배의 해상도 향상을 얻을 있었다. 이 결과는 2013년 2월 광학분야의 권위지인 'Optics Express' 에 게재되었다.
랜덤 필터는 다음의 두 가지 성질을 가지고 있는 필터를 의미한다.
첫째, 하나의 필터에서 서로 다른 파장에 대한 투과율 사이에 상관관계가 없어야 한다.
둘째, 각각의 필터들 간의 투과율 사이에 서로 상관관계가 없어야 한다.
이러한 전례가 없는 특징을 가지고 있는 필터들은 박막(thin film)을 통해서 생산이 가능하고, 실험을 한 결과 더 세밀한 빛의 스펙트럼 정보를 제공한다고 이번 연구에서 밝히고 있다.

3. 기대효과
연구팀은 이렇게 전례가 없는 필터들을 개발함으로써 분광기의 해상도를 향상시킴과 동시에 필터설계자로 하여금 필터 설계 조건을 더 완화시킬 수 있다고 말한다. 그리고 이번 발명이 광 신호 취득 분야에선 첫 번째로 분광기 산업 및 광 이미징 산업에도 큰 영향을 줄 것이라고 한다. 또한 다른 분야에서도 쉽게 적용이 가능하여 세계 최초의 싱글픽셀 카메라에 사용되는 텍사스 인스트러먼드(Texas Instrument)사의 디지털 마이크로미터처럼 높은 데이터 취득 비용을 요구하는 다양한 이미징 또는 비디오 시스템 등에 적용될 가능성이 있다.


 용 어 설 명

반도체팹 공정 방식
반도체를 생산하는 방식으로 웨이퍼의 표면에 막을 형성 시키고 선택적으로 깎아서 설계된 투과율을 갖는 필터를 만드는 방식. 진공에서 이뤄지는 등 공정이 비교적 복잡하다.

분광기 (Spectrometer)
물체로부터 방출되는 갖가지 파장의 세기를 측정할 때 사용하는 도구로서, 물체의 파장 정보를 그래프 혹은 스펙트럼 형태로 나타낸다.

분광기의 해상도 (Resolution)
인접한 두 파장에 대한 스펙트럼을 구분할 수 있는 정도

투과율 (Transmittance)
특정 파장 영역에서 광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기

랜덤 투과율 (Random Transmittance)
광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기가 파장에 대해서 서로 상관관계가 없는 투과율

박막기술
수십 나노미터 두께로 특정 기판 상에 유전체층 등의 물질을 층층이 올려붙이는 기술

옵틱스 익스프레스 (Optics Express)
미국광학협회(Optical Society of America)에서 발행하는 광학기술 분야 학술지. 인용횟수 기준으로 분야 순위 5위 기록. 2010년 Journal Citation Report(JCR)을 기준으로 Impact Factor는 3.753
http://admin-apps.webofknowledge.com/JCR/JCR?RQ=RECORD&rank=1&journal=OPT+EXPRESS

 

<이흥노 교수>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 부교수

2. 학력
  ○ 1993 : B.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1995 :  M.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1999 :   Ph.D. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
 
3. 경력사항
○ 1999 ~ 2002 : HRL Laboratories, L.L.C., Research Staff
○ 2002 ~ 2008 : University of Pittsburgh, Assistant Professor
○ 2009 ~ 현재 : 광주과학기술원 정보통신공학부, 부교수

4. 주요연구업적
1. J. Oliver, WoongBi Lee, and Heung-No Lee*, "Filters with random transmittance for improving resolution in filter array based spectrometers," Accepted for Optics Express.
2. Wooyeol Choi+, Taewoon Kim+, Daeyoung Park+, Heung-No Lee and Hyuk Lim*, Coordinating Transmit Power and Carrier Phase for Wireless Networks with Multi-Packet Reception Capability, EURASIP Wireless Communications and Networking, Accepted.
3. Jin-Taek Seong+ and Heung-No Lee*, "4-ary Network Coding for Two Nodes in Cooperative Wireless Networks: Exact Outage Probability and Coverage Expansion," EURASIP Wireless Communications and Networking, Accepted.
4. Zafar Iqbal+, Saeid Nooshabadi, and Heung-No Lee*, "Analysis and Design of Coding and Interleaving in a MIMO-OFDM Communication System," to appear in IEEE Transactions on Consumer Electronics, August 2012 Issue.
5. Sang-Seon Byun++, Ilangko Balasingham, Athanasios V. Vasilakos, and Heung-No Lee*, "Computation of an Equilibrium in Spectrum Markets for Cognitive Radio Networks," to appear IEEE Transactions on Computers.
6. Younghak Shin+, Seungchan Lee+, Junho Lee+ and Heung-No Lee*, "Sparse representation-based classification (SRC) scheme for motor imagery-based brain-computer interface systems," Journal of Neural Engineering, Aug. 2012.
7. J. Oliver++, WoongBi Lee+, SangJun Park+, and Heung-No Lee*, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," In Press for Optics Express (Impact Factor: 3.753)
8. H. Kim+, D. Har, Z.-H. Mao, M. Sun, and Heung-No Lee*, "Efficient Joint Source-Channel Decoding of Multi-State Markov Sequences," Accepted with minor revision for IET Communications.
9. Cheng-Chung Chang+*, T.-Y. Kuo, Y.-C. Lo, Heung-No Lee, D. Askey, Zhi-Hong Mao, "User-satisfaction based bandwidth allocation for transmission of multiple sources of human perceptual data," In Press for Journal of the Franklin Institute.
10. Junil Ahn+, Heung-No Lee, Kiseon Kim*, "A Near-ML Decoding with Improved Complexity over Wider Ranges of SNR and System Dimension in MIMO Systems," In Press for  IEEE Trans. on Wireless Communications.
11. Heung-No Lee*, Seyoung Chung, Christian Fragouli, and Zhi-Hong Mao, "Editorial: Special Issue on Network Coding for Wireless Networks," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2011.
12. R. Vinjamuri+, M. Sun, C.-C. Chang+, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao*. Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp. 284-295, Feb. 2010.
13. Cheng-Chun Chang+, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee*, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
14. R. Vinjamuri, M.Sun, C.C. Chang, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and Z.-H. Mao, "Temporal Postural Synergies of the Hand in Rapid Grasping Tasks, "IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 4, pp.986-994, Jul. 2010.
15. R. Vinjamuri, M. Sun, C.-C. Chang, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao. "Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp.284-295, Feb. 2010.
16. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "A fast BER evaluation method for LDGM codes," Journal of the Frankilin Institute, vol. 347, issue. 7, pp. 1368-1373, 2010.
17. J. Zhang and Heung-No Lee, "Energy-Efficient Utility Maximization for Wireless Networks with/without Multipath Routing, "International Journal of Electronics and Communications, May. 2009. Volume 64, Issue 2, February 2010, Pages 99-111.
18. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "MB iterative decoding algorithm on systematic LDGM codes: Performance evaluation," Signal Processing, vol. 90, issue. 1, pp. 373-377, 2010
19. Mir H. Mahmood, C.C. Chang, Z.H. Mao and Heung-No Lee, "Throughput Behavior of Link Adaptive 802.11 DCF with MUD Capable Access Node," AEU International Journal of Electronics and Communications, July 2008. doi:10.1016/j.aeue.2009.10.007.
20. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
21. Heung-No Lee, J. Zhang, C.W. Choi, "General random coding bounds: AWGN channels to MIMO fading channels," Annals of Telecommunications, vol. 65, issue. 1, pp. 87-99, 2010
22. Z.-H. Mao, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and M. Sun, "Information Capacity of the Thumb and Index Finger in Communication," IEEE Trans. Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 5, pp. 1535-1546, May. 2009.
23. R. Vinjamuri, D.J. Crammond, D. Kondziolka, Heung-No Lee, and Zhi-Hong Mao, "Extraction of Sources of Tremor in Hand Movements of Patients with Movement Disorders," vol. 13, no.1, pp. 49-56, IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, Jan. 2009.
24. Heung-No Lee, J. Zhang, and C.W. Choi, "Random coding bounds for MIMO channels," Annals of Telecommunication, Dec. 23rd, 2008.
25. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analyses on LDPC coded system over quasi-static (MIMO) fading system," IEEE Trans. on Communications, vol. 56, issue 12, pp. 2080-2093, Dec. 2008.
26. X. Song and Heung-No Lee, "Multimode Precoding for MIMO Systems Performance Bounds and Limited Feedback Codebook Design," IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 56, no. 10, pp. 5296-5301, Oct. 2008.
27. J. Zhang and Heung-No Lee, "Throughput Enhancement with a Modified 802.11 MAC Protocol with Multi-User Detection Support," International Journal of Electronics and Communications, vol. 62, issue 5, pp. 365-373, May, 2008.
28. Cheng-Chun Chang and Heung-No Lee, "A Fast Simulation Method for LDGM Codes," Journal of the Franklin Institute, May 2008.
29. C.C. Chang and Heung-No Lee, "On the Estimation of Target Spectrum for Filter-Array Based Spectrometers," Optics Express, vol. 16, no. 2, pp. 1056-61, Jan. 2008.
30. J. Wu and Heung-No Lee, "Performance analysis for LDPC coded modulation in MIMO multi-access Systems," IEEE Trans. on Communications, vol. 55, no. 7, pp.1417-1426, July, 2007.
31. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analysis of LDPC-Coded Space-Time Modulation over MIMO Fading Channels," IEEE Communications Letters, vol. 11, Issue 3, pp. 234 ? 236,   March 2007.
32. J. Zhang and Heung-No Lee, "A Performance bound on random-coded MIMO systems," IEEE Communications Letters, vol.10, no.3, pp.168-170, March, 2006.
33. J. Zhang and Heung-No Lee, "Union bounds on LDPC coded modulation systems over fast fading MIMO channels," vol. 9, no.9, pp. 796-798, IEEE Communications Letters, Sept.  2005.
34. Heung-No Lee and X. Hu, "Robust Iterative tree-pruning detection and LDPCC decoding," IEEE Journal of Selected Areas on Communications, vol. 23, no.5, pp. 1013-1025, May 2005.
35. Heung-No Lee and G. J. Pottie, "Fast adaptive equalization/diversity combining for time varying dispersive channels", IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 9, pp 1146-1162, Sept. 1998.

<J. Oliver 박사후 연구원>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 박사후 연구원 
 
2. 학력
  ○ 2002:  B.E. in Mepco Schlenk Engineering College
                 (Electronics & Communications)
  ○ 2005 :  M.S. in Mepco Schlenk Engineering College
                 (Communication Systems)
  ○ 2011 : Ph.D. in India Institute of Technology Madras (IITM)
                 (Signal Processing for Wireless Communications)
 
3. 경력사항
 ○ 2002 - 2003 : Lecturer at Karunya Institute of Technology, Coimbatore
 ○ 2006 - 2007 : Teaching Assistant at IITM for graduate course in Digital Signal Processing
 ○ 2009       :  Teaching Assistant at IITM for undergraduate course in Basic                        Electrical Engineering
 ○ 2011 ~ 현재 : 광주과학기술원 박사 후 연구원

4. 주요연구내용
1. J. Oliver and Heung-No Lee, "Filters with random transmittance for improving resolution of filter-array-based spectrometers," Accepted for Optics Express.
2. J. Oliver, WoongBi Lee, SangJun Park, and Heung-No Lee, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Optics Express, vol. 20, no. 3, pp. 2613-2625, Jan. 2012.
3. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Optimal Pilot Sequences with Low PAPR for OFDM Channel Estimation in the Presence of CFO," IET Signal Processing, vol.6, no.1, pp. 45-53, Jan 2012.
4. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Krylov Subspace-based Low-rank Channel Estimation in OFDM Systems," Signal Processing, vol. 90, no. 6, pp. 1861-1872, June 2010.
5. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Sparse Channel Estimation in OFDM Systems by Threshold-based Pruning," Electronics letters, vol. 44, no. 13, pp. 830-832, June 2008.

<이웅비 박사과정>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 박사과정
 
2. 학력
  ○ 2009:  B.S. in Konkuk University
                 (Electrical Engineering)
  ○ 2011 :  M.S. in GIST
                 (Information & Communications)
 
3. 주요연구내용
1. J. Oliver, WoongBi Lee , SangJun Park , and Heung-No Lee*, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Optics Express, vol. 20, no. 3, pp. 2613-2625, Jan. 2012.
2. J. Oliver, WoongBi Lee , SangJun Park , and Heung-No Lee*, "A new signal processing technique for improving resolution of spectrometers,"  2013년 동계종합학술발표회, 한국통신학회 (KICS)
3. Woong-Bi Lee, Jae-Gun Choi, and Heung-No Lee, " 무선 다중 접속 망에서의 네트워크 부호를 이용한 보안 메커니즘", 한국통신학회 2011 하계종합학술발표회
4. Woong-Bi Lee and Heung-No Lee, "A simple Security Mechanism using Network Codes for Wireless Multip Access Network", 대한전자공학회 2010 하계종합학술대회
5. Woong-Bi Lee and Heung-No Lee, "A Study on the Dual-mode Antenna Selection for Spatial Multiplexing Systems with Linear Receivers", 한국통신학회 2010 춘계종합학술발표회

 

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한국항공우주연구원이 2013년 2월 18일 자 연합뉴스 "민주통합당 박홍근 의원은 18일 최근 북한 핵실험 당시 한반도 정밀관측 위성인 아리랑 3호가 국가정보원이 잘못된 좌표를 알려준 탓에 엉뚱한 곳을 찍은 것으로 드러났다고 밝혔다."는 기사에 대해 사실과 다르다고 해명했습니다.

해당기사에는 "국정원이 통보해준 장소가 실제 핵실험 장소와 10.08km 떨어진 곳이어서 아리랑 3호의 촬영범위(반경 8.5km)를 벗어났다"고 나옵니다.

그러나 한국항공우주연구원에 따르면 북핵 실험 당시 아리랑 3호는 핵실험장 전 지역에 대한 촬영이 가능하도록 중심 좌표가 설정되어 있던 상태였습니다.

촬영범위는 68km(길이)×15km(폭)으로, 기상청이 통보한 진앙지 역시 촬영 지역 내에 포함되어 성공적으로 촬영됐습니다.

핵실험 직후 아리랑위성 3호 촬영 영상 범위


그러나 촬영 당일 북한 핵실험 지역의 구름으로 촬영영상으로 지상관측은 불가능한 상황이었다고 한국항공우주연구원 측은 해명했습니다.

‘13.2.12. 13:15 함북 길주군 주변 기상영상(천리안 위성)


광학렌즈를 장착한 아리랑 3호는 야간 또는 구름 등의 기상 상태에서는 영상 확보가 불가능합니다.

한국항공우주연구원은 이를 보완하기 위해 레이더 촬영 위성인 아리랑 5호를 제작했지만, 현재 발사체를 맡은 러시아 측의 사정으로 발사가 지연되고 있는 상황입니다.

<관련글>
대한민국 인공위성, 아리랑 위성 시리즈   
http://daedeokvalley.tistory.com/51
아리랑 3호 소개                                 http://daedeokvalley.tistory.com/491
아리랑 3호 촬영 영상                          http://daedeokvalley.tistory.com/516
아리랑 3호 발사 순간                          http://daedeokvalley.tistory.com/495 

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