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2009년에 발병하기 시작한 대유행성 신종인플루엔자(H1N1)에 의해 사망한 환자의 다수가 비만으로 보고된 바 있습니다.

또 미국 질병관리본부는 비만인 사람들이 신종인플루엔자(H1N1) 바이러스 감염에 따른 이병률과 사망률이 높을 것으로 분석했습니다.

한국생명공학연구원 바이러스감염대응연구단 부하령 박사와 실험동물센터 이철호 박사 연구팀이 비만동물모델을 활용한 공동연구를 통해 신종인플루엔자(H1N1) 백신 효능이 비만인 사람에게서 현저히 감소한다는 연구결과를 발표했습니다.

연구팀은 정상과 비만 동물모델에 백신을 접종한 후 신종인플루엔자(H1N1) 바이러스를 감염시킨 결과, 비만동물모델의 경우 백신 접종 후 혈액 속의 항체수가 현저히 떨어지는 것과 심각한 폐렴을 동반하면서 생존율이 급격히 감소하는 결과를 얻어냈습니다.

지금까지 신종인플루엔자(H1N1) 백신 효능이 노령인구 계층에서 감소한 결과는 보고된 바 있지만, 비만에 따른 백신 효능 연구 결과는 아직 보고되지 않았습니다.

비만동물모델 확보를 위해 15주간 고지방 사료를 급여에 따른 마우스 체중변화와(A) 백신 접종 후 신종인플루엔자(H1N1) 바이러스 감염에 따른 생존률(B), 체중변화(C) 및 육안/조직학적 폐병변 소견(D).

<- NCD : normal control diet(정상 동물모델) / - HFD : high fat diet(비만 동물모델)>

백신 접종 후 혈중 항체가(A) 및 혈구응집억제반응결과와(B, C) 폐조직에서 염증관련 사이토카인 유전자 발현(D-I)

<- NCD : normal control diet(정상 동물모델) / - HFD : high fat diet(비만 동물모델) - HI : Hemagglutination inbition(혈구응집 억제)>

이번 연구결과는 감염성 질환 연구 분야의 권위지인 미국 감염학회지(The Journal of Infectious Diseases) 12월 온라인 판에 게재되었습니다.

한편 세계보건기구는 현재 추세로 2015년까지 세계적으로 성인 23억 명이 과체중(체질량지수 25이상), 7억 명이 비만(체중질량지수 30이상)이 될 것으로 보고 있습니다.

 

 용  어  설 

백신(vaccine) :
항원, 즉 병원체를 약하게 만들어 인체에 주입하여 항체를 형성하게 하여 그 질병에 저항, 면역성을 가지게 하는 의약품이다.

대유행(pandemic) :
범유행(汎流行) 또는 팬데믹 이라고도 하며, 어떤 감염병이나 전염병이 세계적으로 유행하는 것을 나타내는 용어로, 감염병이 지역 사회에서 유행하는 것을 유행병(epidemic)이라고 부르지만, 그것이 규모가 커져 세계 각지에서 산발적으로 일어나게 된 상태를 말한다.

체질량지수(body mass index, BMI) :
인간의 비만도를 나타내는 지수로, 체중과 키의 관계(체질량지수=체중/키2)로 계산되며, 비만의 기준은 현재 나라별로 조금씩 다른데 아시아에서는 과체중이 25 이상, 비만이 30 이상이다(예시, 170cm 80kg 이면 80/(1.7x1.7)=27.68).

항체가(antibody titer) :
어떤 특정 항원에 대해서 대응하는 항체의 역가이다.

혈구응집억제반응(hemagglutination inhibition test) :
항체가 hemagglutinin과 결합시 혈구응집을 방해한다는 점을 이용하여 혈구응집능이 있는 원인체에 대한 항체 검출시 사용되는 방법을 말한다.


이병률(morbidity) :
어떤 지역사회에서 건강인에 대한 환자의 비율

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□ 양자통신이나 양자컴퓨터 같은 양자정보기술은 아직 초기단계이지만, 현대 정보사회의 패러다임을 바꿀 수 있는 가능성이 큰 신기술입니다

양자통신은 정보를 빛의 기본입자인 광자의 양자 상태에 실어 전달하는 새로운 방식의 통신으로 양자역학적 특성상 빠른 속도, 정확한 정보전달 등 기존의 통신에 비해 많은 장점이 있습니다.

이에 기반한 양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터와 달리 한 개의 처리장치로부터 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리량과 속도가 종전의 컴퓨터에 비해 월등히 앞선 미래형 최첨단 컴퓨터입니다.

양자통신, 양자컴퓨터 등의 양자정보기술을 구현하기 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보호되어야 하지만, 실제 상황에서는 양자계와 주변 환경과의 필연적인 상호작용에 의해 결어긋남 현상이 발생하여 결맞음 특성이 손상됩니다.

결어긋남 현상(Decoherence)은 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상으로, 결맞음이 완전히 없어진 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없게 됩니다.

이 결어긋남 현상은 양자정보기술 구현에 핵심요소인 양자 얽힘까지 잃게 만들어 양자정보기술 구현에 가장 큰 걸림돌이되고 있습니다.

□ 포스텍 김윤호 교수팀이 미래형 최첨단 컴퓨터인 양자컴퓨터와 양자통신 등과 같은 양자정보기술 구현에 가장 큰 걸림돌을 해결했습니다.

연구팀은 양자역학의 핵심원리인 일반화된 양자 측정의 개념들을 이용해 양자정보기술 구현에 꼭 필요한 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀냈습니다.

양자 얽힘(Quantum entanglement)은 여러 양자계 사이에 존재하는 특별한 상관관계를 의미하는데, 양자통신, 양자컴퓨터 등을 구현하는데 꼭 필요합니다.

김 교수팀은 약한 양자측정과 양자측정의 되돌림을 이용해 양자 얽힘이 줄어드는 직접적인 원인인 결어긋남 현상 자체를 억제하는데 성공했습니다.

특히 이번 연구결과는 결어긋남 현상이 아주 강해 양자 얽힘이 완전히 없어지게 만드는 환경에서도 적용할 수 있기 때문에 기존의 양자 얽힘 보호방법의 한계를 뛰어넘은 기술로 평가받고 있습니다.

(왼쪽 그림) 결어긋남 현상은 Bob과 Charlie가 나눠 가진 양자계의 양자 얽힘을 손상한다. (오른쪽 그림) 약한 양자 측정과 양자 측정 되돌림을 이용하여 양자 얽힘을 보호하는 프로토콜.


(왼쪽 그림) 양자 얽힘 보호 프로토콜이 없을 때에는 양자 얽힘이 결어긋남 현상에 의해 현격히 줄어들지만 (오른쪽 그림) 양자 얽힘 보호 프로토콜을 이용하여 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호할 수 있다.


김윤호 교수가 주도한 이번 연구에는 김용수, 이종찬(공동1저자), 권오성(제3저자) 박사과정생이 참여했습니다.

이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지인 'Nature Physics (IF=18.423)'지에 온라인 속보(12월 18일)로 게재되었습니다.
(논문명 : Protecting entanglement from decoherence using weak measurement and quantum measurement reversal)

김윤호 교수(오른쪽 뒤편)가 김용수(왼쪽 앞), 권오성(왼쪽 뒤), 이종찬(오른쪽) 박사과정생과 함께 실험을 진행하고 있다.

 용  어  설  명

양자 얽힘 (Quantum entanglement) :
양자 얽힘이란 여러 양자계 사이에 존재하는 비고전적인 상관관계이며, 양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 구현에 반드시 필요하다.
하지만 양자계가 주변환경과 필연적으로 상호작용을 하기 때문에 양자 얽힘을 유지하는 것은 양자 정보 기술의 구현을 위한 어려운 과제이다.
우리 연구에서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 방법을 제안하고 실험적으로 검증하여 양자 얽힘의 유지를 위한 중요한 방향을 제시했다.

결어긋남 현상(Decoherence) :
결어긋남 현상이란 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결어긋남 현상이 일어난 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없다.
본 연구에서는 약한 양자 측정과 양자 측정의 되돌림을 이용해 효과적으로 결어긋남 현상을 억제하였다.

약한 양자 측정(Weak quantum measurment) :
흔히 알려진 양자 측정인 투영 측정(projection measurement) 또는 von Neumann 측정은 양자 상태를 측정 연산자의 하나의 고유 상태(eigenstate)로 투영(project)시키는데 반해 약한 양자 측정은 이보다 더 일반적인 측정을 의미한다.
측정 이전의 양자 상태를 회복하는 것이 불가능한 투영 측정(projection measurement)과는 달리 약한 양자 측정과정을 거친 양자 상태는 원래의 양자 상태로 되돌리는 것이 가능하다.  

 <연 구 개 요>

Protecting entanglement from decoherence using weak measurement and quantum measurement reversal (약한 측정과 양자 측정의 되돌림을 이용해 양자 얽힘을 결어긋남으로부터 보호하기)
 
양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 양자 정보 기술의 구현을 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보존되어야 한다.
하지만 실제 상황에서는 양자계와 주변 환경과의 필연적인 상호작용에 의해 결어긋남 현상(decoherence)이 발생하여 결맞음 특성이 손상된다.
특히 결어긋남 현상은 양자 정보 기술의 구현에 핵심 요소인 양자 얽힘(quantum entanglement)을 손상하게 된다.
따라서 양자 정보 기술을 실제로 구현하기 위해서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 방법의 개발이 필수적이다.  
본 연구에서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀내었다.
이번 연구에서는 양자 역학의 핵심 원리인 일반화된 양자 측정의 개념들인 약한 양자 측정(weak quantum measurement)과 양자측정의 되돌림(quantum measurement reversal)을 이용해 결어긋남 현상을 효과적으로 억제함으로써 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀내고 실험적으로 검증하였다.
특히 이번 연구를 통해 새로 밝혀낸 방법을 이용하면 결어긋남 현상이 아주 강해서 양자 얽힘이 완전히 사라지는 경우에도 양자 얽힘을 보존할 수 있기 때문에 기존 양자 얽힘 보존 방법의 한계를 뛰어 넘은 것으로 평가받고 있다.
또한 양자 얽힘의 손상을 가져오는 직접적인 원인이며 실험에서 필연적으로 존재하는 결어긋남 현상 자체를 억제했다는 점에서 다양한 응용 가능성이 있을 것으로 예상된다.
이번 연구의 특징은 흔히 양자 얽힘을 손상시키는 것으로 알려진 양자 측정의 개념을 확장하여 오히려 결어긋남 현상으로부터 양자 얽힘을 효율적으로 보호하는데 이용하였다는 점이다.
이 연구 성과는 광자, 원자, 초전도체 등의 다양한 양자계에 적용이 가능하므로 양자 통신 및 양자 컴퓨터 개발에 높은 응용 가능성을 가지고 있다.


<김윤호 교수> 

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 김윤호(金允鎬, 39세)
 ○ 소 속 : 포항공과대학교 물리학과

2. 학력
  1991 - 1995    영남대학교 이학사
  1996 - 2001    Ph.D in Applied Physics
       University of Maryland, Baltimore County
 
3. 경력사항
  2001 - 2002 Post-doctoral Researcher, Oak Ridge National Laboratory
  2002 - 2004 Eugene P. Wigner Fellow, Oak Ridge National Laboratory
  2004 - 현재 포항공과대학교 물리학과 조교수, 부교수

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2011. 12. 28. 16:00 대덕밸리과학소식/KAIST

KAIST가 개발 중인 모바일하버 사업이  '스타트업스마트(StartupSmart.com.au)'가 발간한 '2011년 세계 10대 최고 창업아이디어' 중 2위 아이템으로 선정됐습니다.

모바일하버 사업은 해상에 정박 중인 대형 컨테이너선의 컨테이너를 하역해 육상 부두로 이송하거나 육상의 컨테이너를 해상의 컨테이너선에 이송하고 선적하는 '움직이는 항구' 개념을 적용한 세계 최초 해상운송 연구개발사업입니다.

KAIST는 2009년부터 모바일하버 관련 핵심기술을 개발해  파도와 바람에 의해 흔들리는 상황에서도 안정적으로 컨테이너를 들어 올리고 원하는 위치에 내려놓는 '안정화 크레인 기술'을 완성했습니다.
 
KAIST는 지난 6월 실제 해상 시연회에서 선보인 크레인은 전후, 좌우, 상하 흔들림을 제어하는 새로운 개념의 '다단 트롤리(trolley)'와 스스로 위치를 보정하여 컨테이너를 체결하는 '지능형 스프레더(spreader)'를 레인에서는 공개했습니다.

여기에는 각종 센서(sensor)를 통해 스프레더 및 상대선박의 움직임을 측정하고 실시간으로 컨테이너를 추적할 수 있도록 모바일하버에 최적화된 소프트웨어 및 신호처리 알고리즘이 적용됐습니다.

또 '선박 간 자동도킹 기술'은 바다에 떠있는 컨테이너선에 모바일하버가 다가가 측면에 밀착시키는 기술입니다.

<관련글 : 모바일하버 해상시연> http://daedeokvalley.tistory.com/131


<2011년 세계 10대 최고 창업아이디어>


<1위> 기후예측안내서(WeatherBill) :
농작물이 기후에 의해 망칠 수 있는 확률을 예측하는 서비스 제공. 구글도 이 창업회사(미국, 회사명: 기후주식회사, The Climate Corporation)의 투자사 가운데 하나임. 투자액 규모는 현재 4,200만 달러. 날씨에 관한 데이터를 수집하고, 대형 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻은 자료를 농부/농작물 회사에 제공함으로써, 경작 농작물에 필요한 강수량이나 절기별 기후를 예측해 경작 손실에 대비한 보험료 등을 책정하는데 도움을 줄 수 있음. 홍수 등 기후로 인한 재해도 예측함으로써 (농작의) 기후관련 위험부담을 줄여주기도 함.

<2위> 모바일하버(Mobile Harbor) :
한국의 과학자들은 항만운송업에 큰 변화를 가져올 발명품을 시연했다고 하는데 바로 먼 바다로 나가는 이동항구다. 모바일하버는 대형 컨테이너 선박이 먼 바다에서 화물을 선적하고 하역할 수 있어, 복잡한 항만시설 사용을 위해 비싼 비용을 지불하면서까지 항구에서 대기하고 있어야만 하는 선박들의 어려움을 해소할 수 있다. 모바일항구는 대형바지선 모양의 흘수선(Shallow Draught)으로서 안정화 장치가 장착된 크레인을 가지고 있다. 또한, 모바일하버는 해상에서 임시 보호소를 제공할 수 있는 기능, 즉 해난 시 인명 구조작업용으로도 사용될 수 있다. '스마트 기능'이 겸비된 크레인은 출렁이는 바다 위에서도 화물을 흔들리지 않고 안정적으로 선박하고 하역할 수 있다. KAIST 김경수 교수에 의하면, 모바일항구는 브라질, 인도네시아, 중동, 아프리카 등에서 많은 관심을 받고 있다고 했다.

<3위> 전자 코(E-Nose) :
인도 연구자들은 음주측정 기구처럼 사람의 '내쉬는 숨'을 통해 결핵감염 여부를 쉽고도 정확하게 판독할 수 있는 '전자코'를 개발했다고 함. 배터리를 사용하는 휴대용 전자 코는 결핵치료 및 감염 예방에 많은 도움을 줄 것임.

<4위> 로봇 농작물 수확기(Robotic Harvester) :
딸기, 블루베리 등의 농작물 밭을 훑어가면서 익은 농작물만 골라서 수확하는 로봇 수확기는 그 동안 사람의 손에 의존했던 농작물 수확에 따른 일손을 크게 줄일 수 있는 발명품. 파종뿐만 아니라, 농작물을 따서 등급을 매기고, 선별 포장하는 작업을 통해 기존 노동력의 95%를 절감할 수 있음.

<5위> 인공강하(Airdrop) :
사막 같은 건조한 지대에서도 농사를 가능케 하는 관계시스템. 사막에 살고 있는 딱정벌레(Namib Beetle)에서 영감을 얻음. 이 벌레는 밤새 사막에 내린 이슬을 등껍데기에 모아서, 이를 수분으로 활용해 생존. 이 시스템은 아주 건조한 지역이라도 대기 중에는 수분이 포함되어 있는데, 대기 온도를 낮춰 이들 수분을 응축시켜 물로 활용함. 땅속에 매설된 여러 개의 관에 공기를 투하시켜 땅속 저온에서 공기 중 수분이 이슬처럼 응축되면, 이를 수집해 농작물에 바로 제공함. 저렴한 비용으로 가뭄에 대처할 수 있는 대안이 될 수 있음.

<6위> 스마트초인종(Smart Bell) :
13세 영국 소년이 개발, 집주인이 집을 비우더라도
핸드폰으로 원격으로 초인종에 대답할 수 있음. 또한, 주인이 대답할 때 배경 소음도 만들 수 있어, 집주인이 마치 집에서 인터컴을 통해 대답하는 것처럼 들려 절도나 강도 등을 예방할 수 있음. 또, 집으로 배달되는 물건을 접수할 때도 택배원에게 집 위치를 안내한다든지, 어디에 물건을 두라는 등 용이함.

<7위> 투자정보교환사이트(Investable) :
호주 상장기업에 관한 모든 주식투자정보를
실명회원제를 사용해 기밀정보를 제외한 기타 투자와 관련된 모든 실질적인 정보를 정직하게 공개하고 토론하는 사이버공간. 투기조장을 막고 건전한 투자문화를 선도하며, 정확한 정보를 공유할 수 있는 이점이 있음.

<8위> 신혼부부를 위한 서비스(Essential Groom) :
예비부부 혹은 신혼부부가 필요로 하는 일체의 정보를 온라인으로 제공하는 서비스. 즉, 신혼부부의 옷 입는 방법부터 시작해서 허니문, 혼인계약서 작성, 결혼식 및 파티 준비 등에 필요한 정보를 제공.

<9위> 테크노와이티(TechnowaiT) 1-2-3-GO! :
캐나다 퀘벡에 위치한 창업회사 테크노와이티(TechnowaiT)에서는 환자들이 병원에서 대기하는 시간 동안 다른 볼일을 볼 수 있도록 실시간으로 대기시간을 알려주는 서비스. 날로 늘어나는 의료환자의 병원대기시간에 따른 불편함을 해소. 환자가 병원에 도착해 등록을 하게 되면, 핸드폰 전화를 통해 실시간으로 대기 시간 및 진행상황을 통보해줌.

<10위> 휴대용 저울(Weight To Go) :
미국의 한 창업회사는 짐가방에 부착된 휴대용 스마트 저울을 개발함. 디지털 저울, 가방주인 이름표 및 열쇠의 세 기능이 겸비된 일종의 스마트 휴대용 가방. 저울은 휴대용 짐 가방 손잡이 밑에 부착되어 손잡이를 몇 초 동안 당겼다가 놓으면 가방에 부착된 디스플레이에 무게가 표기됨.


(출처: http://www.startupsmart.com.au/planning/10-best-start-up-ideas-of-2011/201112224944.html)

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2011. 12. 28. 15:00 대덕밸리과학소식/ETRI
로봇이 노인들의 건강상태와 응급상황을 관리하고, 가족들과는 친밀도를 높일 수 있는 서비스를 제공하는 '실버케어 로봇서비스 시대'가 다가오고 있습니다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 실버케어 로봇서비스 시대를 앞당길 '실버케어 로봇 핵심기술 및 서비스'를 유진로봇, 위드로봇과 공동 개발하고, 이를 충북 청원의 초정노인요양원에서 6주에 걸쳐 시범 적용했습니다.

이번에 개발한 로봇 핵심기술은 착용형 장치 기반 사람의 위치인식 및 행동인식 기술로, ETRI는 이 기술을 로봇 플랫폼에 탑재된 콘텐츠와 연계시켜 고령자의 건강관리, 인지보조, 응급상황 대처, 여가생활 지원 등에 활용토록 했습니다.

로봇 플랫폼은 고령자의 얼굴 인식을 통한 본인 여부를 확인한 후에 해당 서비스를 제공하고, 서비스 후에는 개인별로 데이터를 축적·관리하는 개인 맞춤형 서비스를 제공합니다.
 
'건광관리 서비스'는 로봇이 고령자의 혈압, 맥박 등을 수시로 체크하고 그 결과를 원격으로 모니터링할 수 있게 도와주며, 의사는 원격으로 보고된 고령자의 건강상태를 확인하고, 비정상적 혈압, 맥박이 감지된 경우 응급 또는 적정한 조치를 취하게 됩니다.

'인지보조 서비스'는 로봇이 기억력 감퇴 등 신체기능이 저하된 고령자들을 위한 치매 방지 및 기억력 회복을 위한 간단한 게임을 지원합니다.

'응급상황 대처 서비스'는 로봇이 고령자의 낙상 사고 등의 응급상황을 자동으로 감지하고, 이를 의사 또는 요양상담사에게 실시간으로 전달하여 불의의 사고가 없도록 조치합니다.

'여가생활 지원 서비스'는 홀로 보내는 시간이 많은 고령자의 특성을 감안하여 로봇이 친구 또는 보조자로서 고전 동화 읽어주기, 음악 틀어주기, 가족과의 전화 통화 연결 및 페이스북 등 온라인에 게시된 사진과 동영상의 재생서비스를 지원합니다.

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2011. 12. 28. 14:02 대덕밸리과학소식/KAIST

□ 실내 형광램프가 3파장, 5파장, 7파장 등 다중파장으로 진화하고 있습니다.

다중 파장을 가진 조명일수록 보다 자연의 색에 가깝게 사물을 볼 수 있기 때문입니다.

게다가 최근들어서는 실내조명이 긴 수명, 저 전압 구동, 높은 발광 효율 등 녹색성장에 부합하는 환경 친화적인 특성을 지닌 LED로 바뀌고 있습니다.

이에 따라 LED 분야에서도 태양빛에 유사한 빛을 만들기 위한 노력들이 세계적으로 계속되고 있습니다.

□ KAIST 신소재공학과 배병수 교수팀이 신소재 형광염료를 이용해 보다 태양빛에 가까워지면서, 형광체 가격은 기존 1/5수준으로 저렴한 백색 LED를 개발했습니다.

현재 상용화되고 있는 백색 LED는 황색 또는 적녹색 혼합 형광체를 봉지재에 분산한 후, LED칩 위에 도포할 때 나오는 청색광과, 형광체에서 나오는 황색 또는 적녹색광이 혼합되어 백색 빛을 냅니다.

형광체 물질로는 산화물 또는 산화질화물 등 무기형광체 입자들이 사용되는데 높은 온도에서 복잡한 공정으로 제조하기 때문에 가격이 비쌀 뿐만 아니라 핵심기술을 일본과 미국 등 해외 선진업체들이 선점하고 있어 국내 LED산업 발전의 걸림돌이 되고 있습니다.

특히 무기형광체는 빛을 흡수하고 발광하는 스펙트럼이 좁아 백열등과 같이 자연색에 가까운 빛을 만드는 데는 어려움이 많았습니다.

이 같은 단점을 개선하고 자연광에 가까운 LED 조명을 만들기 위해 배병수 교수팀은 새로운 형광체 물질로 무기형광체 입자가 아닌 형광염료를 선택했습니다.

형광염료는 섬유 등에 착색제로 사용되며 가격이 저렴하고 다양한 색들을 낼 수 있는 물질입니다.

또 빛을 흡수하고 방출하는 스펙트럼이 넓어 LED 형광체로 사용하면 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있고, 색온도를 비롯한 다양한 특성들을 자유자재로 조절할 수 있는 장점을 갖고 있습니다.

그러나 염료는 열에 의해 쉽게 분해돼 고온의 열을 방출하는 LED에 적합하지 않아 형광체로 적용이 어려웠습니다.

배 교수팀이 개발한 적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 제조 방법 개요

형광 나노하이브리드소재를 이용한 백색 LED의 단면 모식도


□ 이와 함께 배 교수팀은 자체개발한 솔-젤 공정으로 제조된 고내열성 고굴절률 하이브리드소재에 형광염료를 화학적으로 결합해 염료분자가 안정하고 균일하게 분포되어 열에 강하고 효율이 높은 나노하이브리드 형광체 소재를 개발했습니다.

이를 적용해 나노하이브리드 형광체 소재 내의 적색 및 녹색 염료의 비율과 농도를 조절해 이를 봉지재로 사용, 다양한 색온도를 갖는 백색 LED를 만들었습니다. 

적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 화학구조 및 형광특성



개발한 염료 나노하이브리드소재 기반의 백색 LED는 자연광에 가까운 정도를 나타내는 연색지수가 최대 89로 기존에 사용하는 3파장 램프 수준까지 높아졌습니다.

태양빛의 연색지수는 100, 상용화중인 백색 LED의 연색지수는 70 정도입니다.

또 형광체의 내열성도 뛰어나 120도의 고온에서도 1200시간 이상 성능이 변하지 않는 특성을 보였습니다.

형광 나노하이브리드소재는 가격이 저렴할 뿐 아니라 별도로 형광체를 분산시키지 않고 봉지재 자체가 형광체 역할을 함께하는 형광체-봉지재 일체형 소재로 매우 간단하게 백색 LED를 제조할 수 있어 가격 및 기술 경쟁력이 매우 높은 신기술로 평가받고 있습니다.

이번 연구결과는 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)' 12월호 표지논문으로 게재됐습니다. 

나노하이브리드소재를 이용하여 제조한 염료기반 백색 LED


 용  어  설  명

색온도 :
광원의 빛을 수치적으로 표시하는 방법이다. 어떤 물체가 빛을 띄고 있을 때, 이 빛과 같은 빛을 띄는 흑체의 온도를 이용하여 물체의 색온도를 결정한다. 보통 실제 온도보다 약간 높은 값을 가진다. 색온도가 높을수록 차가운 광색을 갖게 되고 색온도가 낮을수록 따뜻한 광색을 갖게 된다. 전구색(Warm White)을 가진 백열 램프의 색온도는 약 2700K 이며 주광색으로 흔히 표현되는 형광램프의 색온도는 약 6000K 이다.

염료 :
염료란 색을 가진 화합물로 어떤 물체의 색깔이 나타나도록 해 주는 성분을 말한다. 이 중에 형광염료란 짧은 파장의 빛을 흡수하여 긴 파장의 빛을 방출하는 유기물이다.

형광체 :
형광체는 외부 에너지를 흡수하여 가시광선 영역의 빛을 방출하는 물질을 말하며, 형광체가 가시광을 방출하는 현상을 발광(luminescence)이라고 한다.

LED 봉지재 :
LED 봉지재는 백색 빛을 내는 형광체를 포함하고 있으며, LED 칩을 둘러싸 외부 충격과 환경 등으로부터 LED 칩을 보호하는 LED를 구성하는 핵심소재다. LED 봉지재는 외부 노출에 견디는 내후성 이외에도 LED칩에서 발산되는 열을 견디는 내열성이 매우 중요하다.

솔-젤 공정 :
솔-젤 공정은 세 :라믹 또는 유리를 높은 온도에서 원료를 소성 또는 용융하여 만들지 않고 화학물질의 반응을 통해서 낮은 온도에서 만드는 공정을 말한다.

고굴절률 :
굴절률은 서로 다른 매질의 경계면을 통과하는 파동이 굴절되는 정도 또는 투명한 매질로 빛이 진행할 때, 빛의 속도(광속)가 줄어드는 비율이다. LED 봉지재의 굴절률이 높으면 LED의 빛이 칩 내부에서 공기 중으로 쉽게 나올 수 있기 때문에 LED의 효율을 높이는데 중요한 요소이다.

연색지수 :
연색성이란 조명된 사물의 색재현 충실도를 나타내는 광원의 성질을 말하며 연색지수란 자연광에서 본 사물의 색과 특정 조명에서의 경우 어느 정도 유사한가를 수치로 나타낸 것이다. 지수가 100에 가까울수록 연색성이 좋은 것을 의미하며 지수가 낮을수록 색재현도가 떨어진다. 일반적으로 평균 연색지수가 80을 넘는 광원은 연색성이 좋다고 할 수 있다.

 <연 구 개 요>

배병수 교수

긴 수명, 저전압 구동, 높은 발광 효율, 녹색 성장에 부합하는 환경 친화적인 특성을 지니는 백색 LED는 차세대 디스플레이, 미래의 조명기술의 핵심으로 LED 산업의 규모는 점차 커질 것으로 예상되고 있다.

차세대 디스플레이용, 조명용 고효율 백색 LED를 개발하기 위해 최적의 열 방출 설계, 광학설계, 고효율/고신뢰성의 형광체, 고신뢰성의 LED 봉지재가 요구된다.
최근 백색 LED 광원의 품질과 광효율을 극대화하기 위해 LED 패키지의 형광체와 봉지재에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.
현재 백색 LED를 구현하는 방법으로 많이 사용되고 있는 방식은 단일 칩 형태의 방법으로 무기형광체 (red+green or yellow)가 분산된 봉지재를 청색 LED 칩 위에 봉지하는 방식이다.
하나의 칩을 이용하여 백색광을 얻을 수 있어 제조단가를 절감할 수 있고, 발광효율이 우수하여 현재 주로 연구되고 있다.
그러나 무기형광체의 경우, 400nm 이상의 근자외선 및 청색 영역에서 여기되어 발광하는 신조성 형광체의 개발이 제한적이며, 현재 주목받고 있는 질화물 형광체의 경우 고온 고압의 공정이 필요하여 형광체 단가가 아주 비싸다는 단점이 있다.

형광염료는 무기형광체에 비해 일반적으로 흡수계수가 우수하고 흡수 및 방출 스펙트럼이 넓으며 양자효율이 좋다.
또한 생화학적인 친화도가 높고 가격이 저렴한 장점을 갖는다.
반면 형광염료는 무기형광체 대비 열에 대한 안정성과 광에 대한 안정성이 떨어진다는 단점을 가지고 있고 형광염료의 농도가 높아짐에 따라 회합을 이루거나 덩어리가 지게 되는 분산 안정성이 떨어지는 문제가 있다.
회합이나 덩어리를 이루게 되면 형광강도가 감소하거나 색 특성이 바뀌게 되며 광투과도가 감소하게 된다.
이러한 형광염료를 사용한 연구는 기초단계로써 앞으로 연구 및 개발되어야 하는 영역이다.

본 연구에서는 백색 LED를 만드는 방식인 무기형광체가 분산된 봉지재를 LED 칩 위에 봉지하는 방식을 벗어나, 형광염료를 봉지재 물질로 고내열성 솔-젤 하이브리드 재료와 화학적으로 결합시킴으로써 내부 양자 효율 및 안정성을 향상시켜, 최종적으로 높은 외부양자효율을 유도함과 동시에 높은 연색지수를 갖는 LED용 고내열성 형광체-봉지재 일체형 형광 나노하이브리드소재를 제조하였다.
또한 형광 나노하이브리드소재를 도입함으로써 형광염료의 취약점인 열안정성과 광안정성을 향상시키고 높은 사용수명을 얻었다.

형광 나노하이브리드소재의 제조를 위한 첫 번째 단계로써 수산화기, 아민기 등의 관능기를 포함하는 형광염료를 합성하고 이를 알콕시실란과 반응하여 형광색소가 결합된 형광 알콕시실란을 제조한다.
형광 알콕시실란은 솔-젤 반응에 참여할 수 있는 알콕시기를 가지고 있기 때문에 솔-젤 올리고실록산에 화학적으로 결합을 할 수 있게 된다.
형광 알콕시실란을 유기실란디올 및 열경화 또는 자외선 경화 가능한 작용기를 포함하는 비닐 및 에폭시기가 치환된 유기 알콕시실란 사이의 비가수 축합반응을 통해 형광색소와 실록산이 하이브리드된 형광 솔-젤 올리고실록산 수지를 합성한다.
최종적으로 올리고실록산 수지를 열경화 혹은 광경화를 통해 굳히면 형광 나노하이브리드소재를 제조한다.

제조된 형광 나노하이브리드소재는 염료의 종류에 따라 다른 색의 형광특성을 보이고 높은 열안정성을 보인다.
상용 염료를 에폭시에 분산하였을 경우 120℃에서 600시간 동안 열처리 한 경우 형광세기가 초기값 대비 절반으로 줄어드는 반면 형광 나노하이브리드소재는 형광세기가 변하지 않았다.
또한 형광 나노하이브리드소재는 염료가 하이브리머 망목구조에 화학적으로 결합되어 염료가 균일하게 분포되어 있어서 농도 증가에 따른 형광세기 감소 없이 지속적으로 증가하였다.
따라서 형광 나노하이브리드소재는 염료 농도의 증가에 따른 고효율 형광특성과 함께 높은 열안정성을 구현할 수 있어서 저가격 고성능 형광체로 응용할 수 있다.

적색/녹색 또는 황색 형광 나노하이브리드소재를 청색 LED칩에 봉지하여 LED칩으로부터 발생되는 청색광이 형광봉지재의 염료를 여기하여 발생되는 적색/녹색 또는 황색과 혼합되어 조명용으로 사용되는 백색 LED를 제조하였다.
적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 혼합 조성비를 조절하여 연색지수와 색온도를 용이하게 조절할 수 있어서 용도에 적합한 백색 LED를 개발할 수 있었다.
제조된 형광 나노하이브리드소재 기반 백색 LED는 120℃에서 1200시간 열처리에도 LED 스펙트럼 및 색지수 변화가 없어서 우수한 내열성을 가진다.
따라서 형광 나노하이브리드소재 기반 백색 LED의 상용화 가능성을 보인다.

이러한 LED용 고내열성 형광체-봉지재 일체형 형광 나노하이브리드소재는 LED의 적용분야인 일반 및 특수 조명, 디스플레이, 휴대용 디스플레이, 자동차 조명 등의 다양한 분야에서 형광체와 봉지재를 대체하는 LED의 패키징 재료로 사용될 것으로 예상된다.
본 연구에서 채택한 방법은 현재 LED 제작에 산업적으로 진행된 사례가 없으므로 새로운 조성 개발 및 특허 확보가 용이할 것으로 예상되고 LED제작 공정 면에서도 용액공정을 통해 저렴하고 신속하게 패키징을 할 수 있어 LED 제조 단가를 낮출 것으로 예상된다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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