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한국생명공학연구원(KRIBB)가 대학, 기업과 차별되는 참신한 연구 아이디어를 공모합니다.

공모 주제는 의약바이오, 산업바이오, 그린바이오, 융합바이오 분야와 관련한 연구 아이디어로, 만 14세 이상 국민이면 누구나 참여할 수 있습니다. 

우수한 아이디어에 대해서는 최우수상 1명 300만 원, 우수상 2명 100만 원, 장려상 10명 각 30만 원을 지급하고, 선착순 2000명에게는 기프티콘을 제공합니다.

응모는 12월 21일(수)까지 생명연 홈페이지 (www.kribb.re.kr)를 통해 할 수 있습니다.

 "이런 연구 해 주세요"아이디어 공모

1. 추진 목적
 ○ 국책연구기관으로서 학계, 산업계와 차별화할 수 있는 참신하고 획기적인 연구개발 아이디어를 공모하여, 한국생명공학연구원 연구개발 과제 발굴에 활용코자 함

2. 아이디어 공모 내용
 ○ 공모내용 및 주제 : 생명과학 및 생명공학 분야로서 아래 5개 주제에 해당하는 연구개발 아이디어
   - 1분야 : 의약바이오 분야
      ※ 의약바이오 분야 : 질병의 예방, 진단, 치료를 위한 분야
   - 2분야 : 산업바이오 분야
      ※ 산업바이오 분야 : 미생물을 활용하여 바이오화학제품이나 바이오연료를 개발하는 분야
   - 3분야 : 그린바이오 분야
      ※ 그린바이오 분야 : 바이오기반 고부가가치 종자, 농ㆍ식품 제품 등을 개발하는 분야
   - 4분야 : 융합바이오 분야
      ※ 융합바이오 분야 : 바이오기술과 IT, NT 등 타기술과의 융합 분야
   - 5분야 : 기타 상기 분류에 속하지 않는 분야

 ○ 공모기간 : 2011.12.6(화) ~ 12.21(수) / 12월 21일 18시 마감
 ○ 공모대상 : 대한민국 국적을 가진 만 14세 이상의 국민
 ○ 응모방법
   - 응모신청서를 기재하여 홈페이지를 통한 접수(한국어 사용)
   - 제안건수 : 개인별로 1건 이상 제안 가능
   - 응모시 성명, 생년월일, 소속, 연락처 등을 반드시 기재
 ○ 아이디어 공모 관련 문의처 : 한국생명공학연구원 전략정책실
(042-860-4776,
kimkeon@kribb.re.kr)

3. 시상내역
 ○ 시상내역
   - 최우수상 : 300만원(1명)
   - 우 수 상 : 100만원(2명)
   - 장 려 상 : 각 30만원(총 10명)
    ※ 심사 결과에 따라 최우수상은 적정한 제안이 없을시 선정치 않을 수 있음
 ○ 기타(참여상) : 공모 참여자 기프티콘 발송(선착순 2,000명)
    ※ 기프티콘은 공모마감 후 일괄 발송 예정(1인 1회 한정)

4. 입선작 선정 및 시상
 ○ 심사 기준 : 소정의 심사절차에 따름
    ※ 예시 : 기술적 실현가능성, 국책연구기관 임무 부합성, 국가사회적 기여효과
 ○ 심사 방법 : 전문가위원회 심사 (내ㆍ외부 전문가)
 ○ 당선작 결과발표 : 2012년 1월 중

5. 기타
 ○ 선정된 아이디어는 일부 수정하거나 변경하여 사용 가능
 ○ 동일한 아이디어가 접수될 경우 먼저 접수된 응모자에게 우선권 부여
 ○ 본 행사의 취지와 전혀 관련이 없는 아이디어는 참여상 대상에서 제외
 ○ 시상에 따른 제세공과금은 본인 부담


posted by 글쓴이 과학이야기

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2011. 12. 6. 10:08 대덕밸리과학소식/KAIST

스마트폰과 같은 휴대형 전자제품은 카메라, 디스플레이, 터치스크린 등과 같은 다양한 기능의 모듈을 연결해 소형화를 추구하고 있습니다.

기술의 발전과 사용자 요구로 갈수록 사용되는 모듈의 수가 점점 더 늘어나고 있지만, 기존 모듈 연결에 쓰이는 소켓형 커넥터가 큰 부피를 갖기 때문에 소형화가 더이상 불가능해지면서, 이를 대체할 수 있는 새로운 모듈 접속방법 개발이 지속적으로 요구되고 있습니다.

KAIST 신소재공학과 백경욱 교수팀은 휴대형 전자기기의 기존 모듈접속을 완벽하게 대체할 수 있는 초박형 접합기술 개발에 성공했습니다.

연구팀은 초미세 솔더·접착제 필름을 이용한 복합 신소재를 개발하고, 수직방향 초음파 접합 공정을 고안해 이를 동시에 사용, 신뢰성이 높은 초박형 접속을 구현했습니다.

(상) 기존 소켓형 모듈 커넥터 (하) KAIST의 초박형 모듈 접속 기술

(상) 기존 소켓형 모듈 커넥터 (하) KAIST의 초박형 모듈 접속 기술


이번 기술 개발로 두께가 얇으면서도 신뢰성을 완벽히 개선해 소켓형 커넥터를 대체, 전자산업에 커다란 변화를 가져올 것으로 기대되고 있습니다.

이번 백 교수팀의 개발 핵심은 기존 제조상의 문제를 완벽하게 개선할 수 있는 대안으로, 열에 의해 녹아서 전극과 합금 결합을 형성할 수 있는 초미세 솔더 입자와,  열에 의해 단단히 굳으며 전극을 감싸 기계적으로 보호할 수 있는 열경화성 접착제 필름의 복합 신소재 개발입니다.

KAIST의 신소재를 이용한 초박형 모듈 접합부 개념도


이 소재를 이용하면 기존 소켓형 커넥터보다 두께는 1/100 수준으로 얇아지면서도 전기적·기계적 특성과 신뢰성이 모두 우수한 접속부를 구현할 수 있다.

또 공정 측면에서도 기존 접합방식인 뜨거운 금속 블록으로 열을 가하는 것은 생산관리가 어렵고 최대 소비전력이 약 1000W로, 에너지 소모가 많은 데다 접합시간도 최대 15초나 소요됐습니다.

백경욱 교수

이에 반해 백 교수팀은 기존 방식을 개선해 열을 가하지 않고 초음파 진동만으로 접합부 자체에서 열을 발생시킴으로써, 소비전력을 100W 이하로 줄이면서 접합시간도 1초~5초까지 단축시키는 공정을 개발했습니다.


이 같은 기술은 휴대폰을 뿐만 아니라 터치스크린 패널 조립, LED 백라이트유 등 다양한 전자제품 조립 분야에 광범위하게 쓰일 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

백 교수와 이기원 박사과정 학생과 공동으로 개발한 이번 기술은 세계 최대 규모의 전자부품기술학회(Electronic Components and Technology Conference) 등의 저명 학술 대회에서 최우수 학생 논문상 2회 수상을 비롯해 세션 최우수 논문으로도 선정됐습니다.


<연 구 개 요>

연구팀이 개발한 복합 신소재는 학계와 업계에서 이방성 전도성 필름(ACF, Anisotropic conductive film, 전도성이 방향에 따라 다름, 상하방향으로는 전도성이 있으나 좌우 방향으로는 전도성이 없음)으로 불리고 있는 접속 재료에 새로운 초음파 공정과 솔더 합금화를 세계 최초로 응용하여 기존의 특성 한계를 넘어선 것에 그 의의가 있다. 기존의 ACF는 전자 패키징 (반도체나 부품을 사용할 수 있게 하는 기판, 전극, 접속 기술 등을 통칭하는 용어) 에서 널리 쓰이는 접속 재료로써 일반적으로 필름 형태의 열경화성(열에 의해서 단단하게 굳어짐) 폴리머 수지 내부에 분산된 도전(전기를 통하게 하는) 입자로 구성되어 있다. ACF는 접속하고자 하는 전극 사이에 간단히 도포하고 열과 압력만을 가하면 전기적, 기계적 접속을 동시에 이룰 수 있는 간단한 공정과 미세피치 (전극 간격이 미세한) 접속에 적용이 가능하다는 장점으로 인해 각광받고 있으며, 평판 디스플레이와 반도체 패키징 분야에서 다양하게 사용되어 왔다.

최근에는 ACF의 사용이 모바일 전자 기기의 모듈 접속 분야까지 확대되고 있다. 기존의 모바일 전자 기기에서 다기능성, 디자인 효율성, 경량화 등의 장점으로 인해 모듈화가 급속히 진행됨에 따라 모듈 접속 방법의 중요성 또한 커지고 있는데 기존의 모듈 접속 방법인 소켓형 커넥터는 실장 면적이 크다는 점과 미세피치 접속이 어렵다는 두 가지 뚜렷한 한계가 있었기 때문이다. ACF을 이용한 모듈 접속은 단순히 Flexible PCB(Printed circuit board, 휘는 플렉서블 기판)와 Rigid PCB(일반적인 단단한 인쇄회소 기판)를 ACF로 접합함으로써 초박형, 미세피치 접속을 가지는 모듈 접속부를 구현할 수 있다. 하지만 이런 장점에도 불구하고 모듈 접속 방법으로써 Flexible PCB와 Rigid PCB 간 ACF 접합은 매우 취약한 생산성의 기존 공정과 전기적 특성, 신뢰성의 한계가 실제 기술 도입의 걸림돌이 되고 있는 실정 이다. 따라서 이번 연구에서는 기존 ACF 접합 공정을 대체할 수 있는 새로운 상온 고속 ACF 접합 공정을 제안하는 동시에 이를 이용해 향상된 특성을 구현할 수 있는 새로운 ACF 재료를 제안했다.

첫째, 접합 공정 개선의 측면에서 기존의 고온 열압착 공정을 개선하기 위해 본 연구에서는 상온에서 초음파를 인가하는 방식의 새로운 ACF 접합 공정을 제안했다. 고온 열압착 방식은 ACF의 경화가 충분히 진행될 수 있는 약 180℃ ~ 200℃의 온도를 구현하기 위해 약 250℃ ~ 350℃의 높은 공정온도가 필요하며, 열전도에 의한 느린 경화로 인해 최대 15초 이상의 접합시간이 필수적이다. 이런 공정 조건들은 생산성에도 직접적인 영향을 미칠 뿐 아니라, 높은 접합온도에서 상온으로 냉각 시 발생하는 열응력 등 최종 샘플의 신뢰성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 외부에서 전혀 열을 가하지 않고 상온에서 초음파를 인가해 ACF에서 빠르게 발열이 일어날 수 있는 새로운 ACF 접합 공정을 제안했으며, 이론적 연구를 바탕으로 하여 접합 공정을 실제로 구현했다. ACF 온도는 인가하는 초음파 진동의 진폭을 조절해 상온에서 300도 이상의 범위에서 자유롭게 조절이 가능했으며 최대 초당 400도 이상의 빠른 속도로 순간적인 승온이 가능했다. ACF 접합은 5초 이내로써 최소 1초에도 접합이 가능했으며 동시에 상용 ACF를 사용하는 경우 짧은 공정 시간으로도 기존 열압착 공정에서의 접합부와 동일한 성능 및 신뢰성을 구현할 수 있었다.

둘째, 이번 연구에서는 상온 초음파 접합의 장점을 활용해 기존의 ACF 보다 성능이 더 뛰어나며 신뢰성이 크게 개선된 새로운 솔더 ACF 재료도 제안했다. 기존의 ACF의 경우 금속 입자와 전극 간의 물리적 접촉을 통해 접속을 수행해 점 접촉에 가까운 형태로써 높은 접촉 저항을 가지는 단점이 있었다. 또한 전기적 접촉이 금속 입자가 분산되어 있는 접착제 필름 자체의 접착력에 의해서 유지되므로 접속부의 신뢰성 또한 취약한 측면이 있었다. 이번 연구에서 제안된 초음파를 이용한 ACF 접합에서는 공정 온도와 상관없이 ACF 자체 발열을 통해 온도를 거의 제약 없이 제어할 수 있으므로 기존의 ACF에서 사용하던 금속 입자 대신에 솔더 입자를 사용해 솔더 조인트를 형성 할 수 있다는 장점이 있다. 솔더 조인트의 경우 솔더 입자와 전극 간의 금속간 합금 형성을 통해 솔더 입자와 전극이 완전히 하나로 결합되게 함으로써 매우 낮은 접촉 저항을 구현할 수 있고, 높은 전류를 통하는 것이 가능하며, 신뢰성이 극적으로 향상되는 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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습기에 매우 민감한 기존 산화물 반도체형 가스센서의 문제점을 해결한 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

고려대 이종흔 교수팀은 수분의 영향을 최소화하면서도 성능이 뛰어난 반도체형 가스센서를 개발했습니다.

기존의 산화물 반도체형 가스센서는 가스에 반응하고 초기 상태로 회복하는데 수십~수백 초의 장시간이 소요될 뿐만 아니라 대기 중에 습기가 있으면 센서의 성능이 급감되어 오작동할 가능성이 있었습니다.

(a)산화주석 나노 계층구조를 이용하여 제작된 가스센서의 표면 SEM사진, (b)산화주석 나노 계층구조 센서의 단면 SEM사진, (c) FIB(Focus Ion Beam)을 이용하여 관찰된 계층구조의 다공질성 내부 사진, (d)산화니켈이 첨가된 산화주석 나노 계층구조 TEM사진, (e)~(f) 산화니켈이 첨가된 산화주석 나노 계층구조에서 산화니켈의 존재를 보여주는 TEM사진

산화주석(酸化亞鉛, Tin dioxide, SnO2)을 이용한 가스센서는 측정환경에 습기가 존재하였을 때 그 성능의 급격한 저하가 발생할 수 있는 것을 그림2의 위쪽 그래프에서 볼 수 있다. 니켈산화물(NiO)를 소량 첨가할 경우 측정환경에서 습기가 가스센서 성능에 미치는 영향을 무시할 수 있는 수준으로 감소시킬 수 있었다. (아래 그래프) 산화주석 나노 계층구조에 산화니켈 (NiO)를 첨가할 경우 고감도, 초고속반응/회복 특성을 유지하면서도 수분에 의한 가스 감응 특성 저하를 없앨 수 있음을 잘 보여준다.


이 교수팀이 개발한 가스센서는 산화니켈(NiO)을 첨가한 산화주석(SnO2)의 계층구조로, 수 초 이내의 반응속도와 기존 센서 대비 10배 이상의 회복속도를 갖췄습니다.

또한 기체가 빠르게 확산되는 나노 계층구조를 활용하고, 습기를 선택적으로 흡수하면서도 촉매의 특성을 나타내는 니켈산화물이 이상적으로 첨가되어, 높은 습도에도 센서의 특성에 거의 변화가 없고 안정적으로 작동합니다.

특히 유해가스나 폭발성 가스 뿐만 아니라 향기와 냄새 등을 실시간으로 감지하고 식별할 수 있습니다.

이번 연구결과는 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Functional Materials'지 12월 6일자 내부 표지논문으로 게재되었습니다.
(논문명: Role of NiO doping in reducing the humidity impact on the performance of SnO2-based gas sensors: synthesis strategies, phenomenological and spectroscopic studies)

산화주석 (SnO2) 나노 계층구조에 첨가된 산화니켈(NiO)이 측정환경에서 수분의 영향을 극소화 하는 작용을 설명하는 모식도. (Advanced Functional Materials지 2011년 23호 inside cover 이미지)

종흔 교수(뒤쪽)가 김해룡 박사과정생과 산화물 반도체 가스센서의 감응특성 평가를 지도하고 있다.

 용  어  설  명

산화물 반도체 가스 센서 :
n형 산화물 반도체를 300-400oC정도의 고온에서 가열할 경우, 산화물표면에 산소가 흡착하고, 흡착된 산소가 표면에서 전자를 받아들여 대전된다. 따라서 산화물 표면은 저항이 큰 전자공핍층 (electron depletion layer)이 만들어 진다. 센서가 HC, CO, 알코올 등의 환원성 가스에 노출되면, 표면 흡착산소에 의해 CO, H2O등으로 산화되고, 반응 후 남은 전자가 센서에 다시 주입(injection)되므로 저항이 줄어든다. 따라서 환원성 가스의 농도에 비례하는 저항의 감소를 센서 신호로 얻을 수 있다. 반대로, SnO2가 NOx등의 산화성 가스에 노출될 경우, 표면흡착산소량이 증가하므로 센서의 저항이 더 증가하는 현상을 나타낸다. 

산화주석 (酸化亞鉛, Tin dioxide) :
주석의 산화물로 산화주석(II, SnO), 산화주석(IV, SnO2)이 있다. 가루 형태로 존재하며 가열, 산화의 방법으로 얻는다. 가스센서, 투명전극, 환원제, 금속 연마제, 유리용융 전극 등에 쓰인다.

나노 계층구조(階層構造, Hierarchical nanostructures) :
0-2차원의 저차원 나노구조(나노입자, 나노와이어, 나노플레이트)들이 3차원적으로 자기조립(Self-assembly)될 경우 나노 계층구조(Hierarchical nanostructures)가 합성된다. 나노 계층구조는 저차원 구성 입자의 높은 비표면적을 잃지 않으면서 높은 다공성을 가지게 되는 것이 핵심적인 특징이다. 가스 센서의 경우 가스 입자의 반응면적을 극대화하여 가스 감응성을 증가시킬 수 있으며 또한 반응가스의 입출이 용이하여 초고속 반응을 가능하게 해준다.

반응시간(Response time), 회복시간(Recovery time) :
가스 센서는 순수한 공기 중에서의 안정적인 전기적인 신호(저항, 전류, 전압)를 나타내지만, 피검 가스에 노출되었을 때 전기적 신호량이 변하게 된다. 신호가 변화하는 동안에 걸리는 시간을 반응시간, 변화된 신호에서 공기 중의 원래 신호로 되돌아가는데 걸리는 시간을 회복시간이라고 한다. 가스 센서의 반응 특성상 반응 종결 단계에서 신호의 변화가 매우 작으므로 통상적으로 감응 및 회복 반응 시에 90% 신호변화를 나타내는 시간을 각각 90% 반응시간 (90% Response time) 및 90% 회복시간(90% Recovery time) 으로 정의한다. 

<연 구 개 요>

SnO2, In2O3, TiO2, WO3 등의 n형 산화물 반도체를 300-400oC정도의 고온에서 가열할 경우, 산화물표면에 산소가 흡착하고, 흡착된 산소가 표면에서 전자를 받아 들여 음으로 대전된다(O- 또는 O2-). 
따라서, 산화물 표면은 저항이 큰 전자공핍층 (electron depletion layer)이 만들어 진다. 
센서가 HC, CO, 알콜 등의 환원성 가스에 노출되면, 표면 흡착산소에 의해 CO, H2O등으로 산화되고, 반응 후 남은 전자가 센서에 다시 주입(injection)되므로 저항이 줄어든다.
따라서, 환원성 가스의 농도에 비례하는 저항의 감소를 센서 신호로 얻을 수 있다.

n형 산화물 반도체(SnO2)의 가스감응 모식도


가스감지 반응은 감응 소자의 입자표면과 가스의 흡탈착 과정에 의해 생기는 현상이므로 감응물질의 표면적을 극대화하고, 전자공핍층의 비율을 높이기 위하여 나노 구조가 유리하다.
최근 나노 구조의 설계를 통해 가스 감도(저항 변화 정도)를 높이는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 산화물 반도체형 가스센서는 습도의 변화에 의해 센서의 저항, 가스 감도 (Ra/Rg: Ra: 공기중 저항, Rg: 가스노출시의 저항), 가스에 노출되었을 때의 센서 반응속도, 공기에 노출되었을 때의 센서 회복 속도가 크게 열화되는 문제가 있다.
이와 같은 센서의 습도 의존성은 센서의 오동작의 원인이 될 뿐만 아니라 센서 안정성에도 나쁜 영향을 미친다.
1960년대에 산화물 반도체 가스센서가 처음으로 제안된 이래, 프로판, 메탄등의 폭발성 가스센서, CO 센서, NO2 센서, 음주 측정기, 자동차 매연감지 센서 등으로 상용화 되었지만, 센서특성의 현저한 습도의존성은 근본적으로 해결되지 못한 과제로 남아 있다. 

순수한 산화주석(위)과 니켈산화물이 소량 첨가된 산화주석(아래)을 이용한 가스센서 측정결과 (Dry-대기 중 습기가 없는 환경, Wet-대기 중 습기가 있는 환경, 상대습도 25%)

위 그림에서 나타난 바와 같이 건조한 분위기에서의 가스 감도, 응답속도, 센서저항이 상대습도가 25%가 됨에 따라 크게 변화하거나 나빠지는 경향을 볼 수 있다.
이는 SnO2 가스센서 신호의 습도 의존성이 매우 심각한 문제임을 보여준다.   

본 연구팀은 나노구조가 계층적으로 조립된 다공질 나노 계층구조에 산화물 NiO를 불연속적인 모양으로 균일하게 첨가할 경우 센서저항, 가스감도, 반응속도가 거의 습도에 영향을 받지 않으며, 고감도, 고속반응, 고속회복 등의 우수한 감응특성을 습기가 있는 분위기에서도 변함없이 유지할 수 있다는 사실을 처음으로 제시했으며, 그 기구를 규명했다.
p형 산화물 반도체인 NiO를 불연속적인 모양으로 SnO2 나노 계층구조에 첨가할 경우, 가스 감응시의 전기전도는 n형의 SnO2를 따라 일어나지만, 첨가된 NiO는 습도 의존성 제거, 회복속도 증가 등의 역할을 수행하는 것으로 밝혀 졌다.
NiO가 첨가된 SnO2 나노 계층구조의 Operando diffuse-reflectance Fourier transform IR spectroscopy(DRIFTS) 분석 결과 NiO가 습도를 대부분 흡수하여 SnO2의 가스감응 반응을 변화시키지 못하도록 하는 수분흡수제(humidity absorber)의 역할을 하는 것으로 이해되었다.
또 NiO는 p-형 반도체로 Ni2+와 Ni3+가 공존할 수 있어 표면 대부분이 O-로 흡착된 구조를 나타내는데, NiO-SnO2의 계면을 통해 NiO가 O-를 공급하여 센서가 공기 중에 노출되었을 때의 회복 속도도 수십배 증가시키는 역할을 수행하는 것으로 판단된다.
본 연구에서 제안된 NiO-loaded SnO2 나노 계층구조 센서는 기존의 센서에 비해 다음의 우수한 특성을 나타낸다.

1) 다공질 나노 계층구조를 이용하므로, 피검가스(anlayte gas)가 전 나노 구조 표면에 빠르게 확산되어, 고감도와 고속 응답이 동시에 구현되었다.
2) 산소의 흡착, 해리, 이온화를 도와주는 NiO에 의해 초고속 센서회복이 가능해졌다.
3) SnO2와 습기 사이의 표면반응에 의한 저항변화를 NiO 첨가제에 의해 원천적으로 제거하여, 센서저항, 가스감도, 응답속도, 회복속도 등의 가스 감응특성이 습도의 변화에 상관없이 유지되는 고성능, 고신뢰성의 가스센서를 구현했다. 

본 연구에서 제안한 NiO-loaded SnO2 나노 계층구조 센서는 가스센서의 동작 안정성, 장기 안정성을 한 차원 높일 것으로 기대된다. 특히 습기의 영향을 극소화시킨 초고속 반응 가스센서 기술은 초고속 반응 화학센서, 독성, 유해, 폭발성 가스의 신속검지, 음주측정기, 매연감지센서, 실시간 반응 인공후각에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 전망된다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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감마선 폭발(Gamma Ray Burst)은 몇 초에서 수백 초 동안 우주의 모든 별빛을 합한 만큼 매우 밝은 빛으로 반짝이는 천체로, 별이 특별하게 죽으면서 폭발할 때 생기는 현상입니다.

지금까지는 태양보다 수십 배 무거운 별이 죽거나 또는 중성자별 두 개가 충돌할 때 일어나는 두 종류의 감마선 폭발만 알려져 있었습니다.

임명신 서울대 교수와 박수종 경희대 교수가 이끄는 초기우주천체연구단 연구원 등 국내 연구진 6명이 포함된 10개국 34명의 국제공동연구팀은 새로운 형태의 우주 폭발현상을 발견했습니다.

특히 이번 연구에는 서울대와 경희대가 공동 개발한 시퀸(CQUEAN)카메라를 이용해 얻은 관측 자료가 큰 기여를 했습니다.

이번에 발견된 새로운 종류의 감마선 폭발은 별이 특별하게 죽을 때 생기는 현상으로 밝혀졌습니다.

국제공동연구팀은 NASA의 스위프트 위성을 사용하여 지난해 12월 25일 약 43억 광년 떨어진 곳에서 일어난 특이한 감마선 폭발을 발견하고 이를 'GRB 101225A'로 명명했습니다.

GRB 101225A의 상상도 : 중앙에 있는 넓게 퍼진 것이 사진 윗부분에서 침투한 중성자별에 의하여 흐트러진 별의 대기이며 그림 정중앙에는 헬륨으로 이루어진 별의 중심핵과 중성자별의 충돌이 이루어지면서 물질 다발이 제트가 퍼져나가는 모습이 보인다. 제트는 별 중심에서 바깥으로 퍼져나가다가 흐트러진 별의 대기를 만나 뜨거운 빛을 발하게 된다. (그림제작: A. Simonnet, NASA/EPO, 소노마 주립대학교)

임명신, 박수종 교수 연구팀은 GRB 101225A를 발견한 직후 이 천체를 가시광선과 근적외선에서 관측하고 특성을 살펴본 결과 이는 1990년대 후반부터 이론적으로만 예측되어왔던 새로운 종류의 감마선 폭발임을 확인했습니다.

연구진이 포착한 GRB 101225A, “크리스마스 날 폭발”의 모습 : 우리나라 연구진이 시퀸 카메라를 이용하여 포착한 GRB 101225A의 모습. 사진 중앙에 있는 푸른색 점이 그것이다. 망원경은 미국 맥도날드 천문대 2.1m 망원경을 사용하였으며, 크리스마스 날 저녁식사 파티가 끝나자마자 급박하게 관측이 이루어졌다.

감마선 폭발은 보통 몇 초에서 수백 초간만 지속되지만, GRB 101225A는 30분 이상 지속됐습니다.

그리고 가시광선과 근적외선 자료로부터 GRB 101225A가 다른 감마선 폭발과는 달리 수만 도에서 시작하여 수천 도까지 식어가는 빛의 스펙트럼을 가지고 있음을 확인했습니다.

이것은 이론적으로만 예측했던 새로운 감마선 폭발의 모습과 같았습니다.

이번 연구는 별이 매우 다양한 형태로 죽음을 맞이할 수 있다는 새로운 사실을 보여주고 있습니다.

천문학 교과서에는 별들이 죽을 때 초신성 폭발을 한 후 블랙홀이나 중성자별로 남거나 차츰 식어서 백색왜성이 되는 것으로 나옵니다.

그러나 연구팀이 이번에 관찰된 새로운 감마선 폭발 현상을 분석한 결과, 초신성 폭발 후 생긴 중성자별이 옆에 있는 다른 별의 내부를 휘젓다가 또 다른 폭발을 유발할 수 있고, 폭발 후 남은 천체는 블랙홀이 되었을 것으로 추정하고 있습니다.

즉, 별은 중성자 별로 변한 후 더 이상 진화하지 않는 것이 아니라, 조건만 맞으면 블랙홀로 변할 수도 있다는 것입니다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 '네이처(Nature)'지에 12월 1일자로 발표됐습니다.

(논문명: The unusual gamma-ray burst GRB 101225A from a helium star/neutron star merger at redshift 0.33)

맥도날드 천문대 2.1m망원경과 시퀸 카메라(망원경 하단에 위치).

 용 어 설 명

감마선 폭발(Gamma Ray Burst) :
몇 초에서 수백 초 동안 우주의 모든 별빛을 합한 만큼 매우 밝은 빛으로 반짝이는 천체로, 별이 특별하게 죽으면서 폭발할 때 생기는 현상으로 알려져 있음

초신성(超新星) :
늙은 별이 폭발하면서 막대한 양의 에너지를 뿜어내는 현상. 사실상 별의 마지막 모습이지만 마치 새로 생겨난 밝은 별처럼 보여 '초신성'이라고 부름

백색왜성(白色矮星) :
태양 정도의 질량을 지닌 항성이 죽어가며 생성하는 천체

<연 구 개 요>

The unusual gamma-ray burst GRB 101225A from a helium star/neutron star merger at redshift 0.33
C.C. Thone et al. (Nature, 480, pp72-74 ? 2011. 12.1. 출판)

감마선 폭발(Gamma-Ray Burst; GRB)이란 별이 특이하게 죽음을 맞이하는 순간에 생기는 현상이며, 감마선 폭발의 지속시간이 2초 이하냐 이상이냐에 따라 감마선 폭발은 짧은 감마선 폭발(short GRB)과 긴 감마선 폭발(long GRB)로 나누어진다.
이 중 긴 감마선 폭발은 무거운 별이 죽으면서 폭발하는 제1b형 또는 제1c형 초신성과 연관이 있는 것으로 알려져 있다.
감마선 폭발 때 발생하는 상대론적 제트(relativistic jet; 광속에 가까운 속도로 매우 빠르게 퍼지는 물질 다발)가 주변 물질들과 상호작용을 하면서 비 열적 복사(non-thermal radiation)인 싱크로트론 방사가 일어나면 그것이 감마선 폭발 잔광으로 X-선, 가시광선, 근적외선 등 다양한 파장에서 관측이 된다.

일반적으로 긴 감마선 폭발은 감마선 폭발의 지속시간이 2초 이상에서 수백 초이나 잔광의 경우 몇 주 이상씩 관측되기도 한다.
이러한 감마선 폭발들의 대부분은 2004년 11월에 발사되었던 NASA의 Swift위성에 의해서 발견되고 있으며, 감마선 폭발 발견 즉시 관심 있는 천문학자들에게 그 사실이 알려진다.
그렇게 하여 세계 곳곳의 망원경을 사용한 감마선 폭발의 잔광 후속관측이 이루어지게 된다.
 
이번 연구 대상인 GRB 101225A는 2010년 크리스마스 날에 Swift위성에 의하여 발견되었다.
발견당시 감마선 폭발이 30분 이상이나 오랫동안 지속되는 매우 특이한 모습을 보였다.
또한 Swift위성과 지상망원경을 이용한 후속관측 결과 이 감마선 폭발의 잔광은 일반적인 감마선 폭발에서 나타나는 싱크로트론 방사와는 달리, X-선과 가시광선/근적외선에서 흑체복사라는 열적 복사의 법칙을 따르고 있음을 알 수 있었다.

처음에는 수만 도였다가 그 후 10일 동안 점점 커지면서 식어가는 물체에서 나타나는 흑체복사가 관측되었다. 감마선 폭발 10일이 지난 후에는 희미한 초신성의 빛이 나타나기 시작하였다.
이 초신성의 스펙트럼 모양으로부터, GRB 101225A는 적색이동이 0.33에 나타난 천체라는 사실을 알 수 있었다. 또한 후속관측결과 GRB 101225A가 나타난 자리에 희미한 은하가 있는 것도 알 수 있었다.
다른 감마선 폭발천체와 구별이 되는 여러 관측사실로부터 GRB 101225A는 흑체복사를 하는 잔광을 가지면서 희미한 초신성을 동반하는 새로운 유형의 감마선 폭발이라는 결론을 얻게 되었다.  

국제공동연구팀은 이 현상이 헬륨별(별이 진화하여 그 중심핵이 헬륨으로 이루어진 별)과 중성자별이 합병하여 생긴 것이라는 설명을 제시하였다.
중성자별과 헬륨별로 이루어진 쌍성에서 중성자별이 헬륨별 속으로 떨어질 때, 수소로 이루어진 헬륨별의 대기가 별 주변으로 흩어졌고, 급기야 중성자별과 헬륨별이 합병하는 과정에서 강한 감마선 폭발과 함께 제트가 뿜어져 나오게 된다.
이 제트가 헬륨별의 흩어진 가스를 가열하면서 폭발 직후 초기에는 고온의 열적복사가 일어나다가 가스가 팽창하면서 그 온도가 서서히 식어간다.
이러한 폭발은 초신성을 동반하지만, 헬륨핵과 중성자별과의 충돌과정에서는 초신성 주 에너지원인 니켈과 같은 무거운 방사선 물질들이 충분히 만들어지지 못하기 때문에 일반적인 초신성보다는 훨씬 어두운 초신성이 나타나는 것이다.
이러한 이론은 1990년대 말 이미 제안이 되어 있었지만 이제야 이론들이 예측했었던 종류의 감마선 폭발을 발견한 것이다.
즉 별이 죽는 새로운 모습을 알아냈다는 점에서 이 연구의 의의가 크다고 할 수 있다.  
 
임명신, 박수종 교수 연구팀은 이 연구에 사용된 여러 지상 후속관측자료 중 가장 이른 시간대의 가시광선 및 근적외선 자료를 확보하여 GRB 101225A의 초기 성질을 규명하는 데 중요한 역할을 하였다.
이 자료가 있음으로 인하여 GRB 101225A는 발생 직후부터 열적복사로 이루어진 잔광을 가지고 있었다는 사실을 알 수 있었던 것이다.
이 관측은 미국 텍사스 주 맥도날드 천문대의 2.1m에 설치된 CQUEAN이라고 하는 관측기기를 이용하여 이루어졌는데, CQUEAN은 국내대학연구진이 단독으로 개발하여 해외천문대에 설치하고 있는 관측기기이다. 크리스마스 날에도 해외에서 관측에 임하여 준 관측자들(박원기 박사, 최창수 연구원-서울대, 정현주 연구원, 임주희 연구원-경희대)이 있었기에 감마선 폭발 발생 직후 타 그룹들에 앞서 중요한 관측 자료를 확보하여 이 연구에 기여할 수 있었다. 

<감마선 폭발(Gamma-Ray Burst)>
   
우주에서 일어나는 가장 강력한 폭발현상이며 별의 죽음과 밀접한 관계가 있다는 것이 알려져 있다.
순간적인 밝기가 우주 전체의 별빛을 모두 합친 것에 필적할 만큼 매우 강한 빛을 감마선에서 발한다.

1960년대 후반 소련(현 러시아)의 비밀 핵실험을 탐지하기 위하여 미국이 발사한 인공위성이 우주에서 발생하는 감마선 폭발들을 최초로 발견하였다.
보통 감마선 폭발은 수초에서 수백 초의 짧은 기간 동안 지속되며, 그 후 X-선, 가시광선, 전파 등 다양한 파장에서 밝은 빛이 보이는 것을 감마선 폭발 잔광이라고 부른다.
이러한 잔광은 몇 시간 만에 사라지기도 하지만 몇 달씩 관측이 가능한 경우도 있다.
이 잔광은 감마선 폭발 시 생긴 제트(속도가 광속에 가까운 물질다발)가 주변 성간물질과 충돌할 때 나온다고 알려져 있으며, 이 때 나오는 잔광의 스펙트럼은 소위 "싱크로트론"방사라고 하는 밋밋한 모양이다. 

감마선 폭발은 무거운 별이 죽는 순간 또는 두 개의 중성별의 충돌 시 이러한 폭발이 일어난다고 알려져 있었으나, 이번 연구는 새로운 종류의 감마선 폭발을 발견한 것이다.
잔광의 스펙트럼이 싱크로트론 방사가 아닌 온도를 가진 물체에서 흔히 나오는 "흑체복사"라는 것과 감마선 폭발이 수십 분 지속된 것으로부터 GRB 101225A는 이미 한 번 먼 옛날 폭발을 겪은 중성자별이 그 옆에 있는 보통 별 내부를 휘젓다가 또 다시 폭발 현상을 일으킨 것으로 밝혀낸 것이다.
이 해석 말고도 GRB 101225A는 우리와 가까운 곳에 있는 중성자별에 혜성이 떨어지면서 생긴 현상이라고 해석하는 연구결과도 같은 호 네이처지에 발표되었다.  

※ 시퀸(CQUEAN) 카메라

시퀸(CQUEAN)은 Camera for QUasars in EArly uNivers의 약자로, 경희대학교 박수종 교수와 서울대학교 공동연구진이 개발한 천체관측용 카메라이다.
시퀸은 0.8-1.1 마이크로미터에 해당하는 근적외선 파장에서 기존의 천문연구용 카메라보다 3-4배 더 높은 감도를 자랑한다.
연구단의 주요 연구대상인 100억 년 전에 존재하였던 초기우주 퀘이사들을 잘 관측할 수 있는 파장이 근적외선 파장이기 때문에 이런 기능을 갖추었다.
그 외에도 넓은 시야를 관측하기 위한 광각렌즈시스템, 긴 노출시간으로 천체를 촬영하기 위한 천체추적시스템 등을 갖추고 있다.
2010년 8월에 미국 맥도날드 천문대 2.1m 망원경에 시퀸을 설치하였고 그 후 이를 이용한 초기우주 퀘이사 탐사와 감마선 폭발 천체 및 외부은하의 관측이 진행 중이다.
그동안 출연연구소에서 주로 개발되고 있던 천문관측기기를 대학교 연구진들만의 힘으로 하였다는 점, 그리고 천문관측 기상조건이 좋은 해외천문대에 기기를 설치하여 그 성능을 극대화하고 있다는 점 등이 특기할 만하다.   

 
※동영상 자료 <http://astro.snu.ac.kr/~mim/xmas/>

1. CB_video_2011_1126.mov: GRB 101225A의 밝기와 온도가 시시각각 변하는 모습을 그래프와 함께 보여주는 동영상.
2. GRX_OT_preliminary.mov: GRB 101225A의 밝기가 변하는 모습을 보여주는 동영상
3. He-NS_starmerger.mov: GRB 101225A의 생성기작을 보여주는 동영상(미국 NASA제작)
4. GRX_movie_small_2011_1125.mov: GRB 101225A의 관측내용, 생성기작 등을 종합적으로 보여주는 동영상(미국 NASA제작)

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염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로, 실리콘 기반의 기존에 상용하는 태양전지와 비교하여 효율이 높고 제작이 간단하면서 경제적이며, 투명하게 제작할 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있어 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있습니다.

염료감응형 태양전지는 박막 증착공정 중에서는 화학증착법(CVD)이 가장 우수한 제조방법이지만, 박막을 증착할 때 고온(200℃ 이상)이 필요하고, 섬유나 종이와 같은 곳에는 증착할 수 없는 단점이 있었습니다.

차세대 태양전지인 염료감응형 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 방법을 충남대 연구팀이 개발했습니다.

충남대 윤순길 교수팀은 상온에서 탄소나노튜브에 나노클러스터 증착법(NCD)으로 나노복합체를 형성해 태양전지의 전기화학적 성능을 3배 이상 향상시켰습니다. 

나노 클러스터  증착법(NCD, Nano-Cluster Deposition)은 기존의 박막증착기술을 뛰어 넘는 신개념의 증착법으로, 윤 교수팀이 독자적으로 개발하여 한국과 미국의 특허 등록했습니다.

실제 박막증착에 활용되는 화학증착법 (CVD) 와는 다르게 showerhead에서 반응가스가 분해되고 반응하여 nano-cluster 들이 형성하게 하여 기판(substrate) 에 증착하게 함으로써 상온증착이 가능하게 하는 Nano-Cluster Deposition (NCD) 의 개요도

연구팀의 NCD를 이용하면 CVD의 장점에 저온(상온)에서도 증착할 수 있어 다양한 재료에 자유자재로 적용할 수 있습니다.

그동안 전 세계 연구자들은 나노복합체를 이용해 광 전기화학의 성능향상을 위해 꾸준히 연구해왔지만, 약 30%의 효율에 그쳤습니다.

그러나 이번 연구로 탄소나노튜브에 NCD법으로 나노복합체(산화티타늄과 산화인듐주석)를 적층하여 효율을 70%까지 획기적으로 향상시켰습니다.

이번 연구결과는 염료감응형 태양전지에 활용되어 에너지 생산효율을 크게 높일 뿐만 아니라 광 촉매제로도 사용되어 물로부터 수소와 산소를 생산하는 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials(IF: 10.857)'지에 온라인 속보(11월 7일)로 게재되었습니다. 
(논문명 : Enhanced Photoelectrochemical Activity of the TiO2/ITO Nanocomposites Grown onto Single-Walled Carbon Nanotubes at a Low Temperature by Nanocluster Deposition)
 용  어  설  명

TiO2/ITO/SWCNT 나노복합체 :
먼저 광에너지를 흡수하기 위해서는 단위부피당 면적이 많아야 한다.
그러기 위해서는 single-walled CNT(단일 층 카보 나노튜브)는 가느다란 실 같은 것들이 서로 얽혀있어 매우 많은 면적을 제공하며, 여기에 광 촉매제로 사용되는 TiO2 를 단차피복성이 좋은 화학증착법으로 증착하여 면적을 넓힐 수 있다.

그러나 TiO2 가 광을 흡수하여 전자를 생산하면 이들이 CNT 를 통과해야 하는데 TiO2 와 CNT 사이의 접촉에서 저항이 크므로 이를 낮추기 위해 저항성이 낮은, 전기전도도가 큰 ITO 전극을 사이에 적층하여 만든 복합체이다.
(a) CNT-ITO, CNT-ITO-TiO2 나노복합체의 결정성을 나타내는 X-ray 회절패턴,
(b) 카본나노튜브의 실제모습
(c) 카본나노튜브에 ITO 를 증착한 모습 
(d) 카본나노튜브에 ITO 와 TiO2 를 증착한 실제 모습

NCD (Nano-Cluster Deposition) :

보통 화학증착법과는 달리 보이는 showerhead 에 온도를 높여 (약 250-300oC: 일반적인 CVD 에서는 약 150oC 근방) 서 여기서 챔버로 들어온 반응기체들을 분해하고 반응시켜 얻고자하는 박막의 nanocluster (나노결정)을 형성하여 아래에 있는 기판위에 낮은 온도(상온도 가능)에서 결정화된 박막을 얻는 독창적 증착법 (한국 및 미국 특허 등록).

Photoconversion efficiency(광변환 효율) :  
밑 그림은 연구실에서 만들어진 TiO2/ITO/CNT 나노복합체들을 이용하여 형성된 소자를 이용하여 광 특성을 여러 가지 전해질 (electrolyte) 에 따라 광 변환 효율을 나타낸 것으로서, NaCl 용액의 경우에 최대 효율이 약 70% 가까이 나타냄을 알 수 있다. 지금까지 발표된 효율은 약 20% 내외인 것에 비교하면 약 3배 이상의 증가를 보여준다.

(a) 는 각 용액에 TiO2/ITO/CNT 나노복합체를 넣어 UV(ultra violet : 자외선) 을 쪼인 후에 전압에 따라 측정한 전류밀도,
(b) 는 각 용액에 따라    측정한 광변환 효율. 여기서 용액인 0.1mole NaCl (pH= 3.0) 의 경우에 광 변환효율이 약 70% 에 달함 (기존 발표된 것 보다 약 3배이상 달성),
(c) 사용된   각 용액들의 광흡수능력을 나타냄. 

posted by 글쓴이 과학이야기

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구삼옥 박사(한국항공우주연구원 책임연구원)는 자타가 공인하는 비행기광입니다.

오죽했으면 그 스스로도 ‘전생에 날짐승이지 아니었을까?’ 생각한다고 합니다.

구 박사와 비행기와의 인연은 보통 사람들이 기억하기도 어려운 5살 때부터 시작됩니다.

당시 경남 고성에 살던 그는 인근의 사천비행장에서 날아 올라 편대비행하던 전투기들을 넋 놓고 바라보곤 했습니다.

5살 꼬마는 ‘저 비행기들을 보려면 어디로 가야 하냐’고 어른들에게 물어, 혼자서 사천비행장까지 걸어가려고도 했습니다.

그렇게 비행기를 동경하던 꼬마는 고무동력기와 과학 잡지 ‘학생과학’을 좋아하며 초등학교 시절을 보냈습니다.

중학생이 된 구 박사는 본격적인 비행기 만들기에 도전했습니다.

어느 날은 학생과학에 난 모형비행기 매장 광고를 보고는 모은돈 ‘180원’을 쥐고 무작정 부산까지 갔습니다.

완성 키트를 사기에는 턱 없이 부족했던 180원으로 구 박사는 중고 엔진과 기체를 만들 발사목, 베니어합판 등을 사왔습니다.

나중엔 재료가 모자라 집 뒷산의 오동나무까지 베어가며 비행기를 만들었다고 합니다.


◆비행기광, 조종사 대신 과학자의 길로

학창시절 구 박사의 꿈은 당연히 공군사관학교에 진학해 전투기 조종사가 되는 것이었습니다.

그러나 고교 때 시력이 공사 입학 기준에 약간 미달했던 탓에 공군 조종사의 꿈을 포기해야 했습니다.

대신 그가 생각한 곳은 당시 국립대학으로 최고의 주가를 올리던 한국항공대학교입니다.

1977년 그는 15대 1의 경쟁률을 뚫고 항공기계공학과에 합격했습니다.

항공대에 간 구 박사는 캠퍼스에 활주로가 있고, 게다가 비행기가 날아다니는 것을 직접 보면서 ‘천국이 따로 없구나’라고 생각했습니다.

비행기 공부를 계속하고 싶었던 구 박사는 졸업 후 바로 한국과학원(현 KAIST) 항공과로 진학했습니다.

학비가 무료인데다 24시간 공부할 수 있는 캠퍼스 시스템이 무엇보다도 그의 맘에 들었습니다.

석사를 마친 그는 당시 경남 창원에 있는 한국기계연구소 항공기계실에 입사하면서 연구원 생활을 시작했습니다.

직장인이 된 그는 수입이 생기자 그동안 돈이 없어 만들지 못했던 모형비행기를 본격적으로 만들기 시작했습니다.

연구원 생활을 하던 그는 현 한국항공우주연구원의 전신인 항공우주연구소 창설 맴버로 조직 구성 작업에 참여했습니다. 

이후 연구소 추천으로 KAIST에서 박사학위를 마친 그는 당시 한·중 협력 사업인 ‘중급항공기’ 개발 계획에 참여해 설계를 담당했습니다.

당시 이 사업은 양국의 이견으로 1999년 중단됬고, 대신 우리나라는 이를 무인기로 축소 개발해 미완된 기술이라도 습득하게 하는 쪽으로 방향을 선회했다고 합니다.

이를 바탕으로 본격적인 무인기 개발 그룹이 생겼고, 이는 무인기 ‘두루미’ 사업에 이어 현재 진행 중인 ‘스마트무인기’ 개발로 이어졌습니다.

◆비행기를 만들려면 직접 날아봐야 한다

이 즈음 구 박사는 비행기를 더 잘 만들려면 실제 비행 계획을 세우고 직접 비행을 해야겠다는 생각을 절실하게 하고 있었습니다.

기회는 곧 찾아왔습니다.

2005년부터 1년간 미국 조지아텍 연구연가를 갔던 시절, 구 박사는 자비를 들여 6개월 간 조종사 훈련을 받고 정식 면허증을 획득했습니다.

평생 비행을 동경하던 그였지만, 첫 비행의 소감은 뜻밖에도 ‘이 정도 갖고는 갈길이 멀구나’였습니다.

구 박사는 비행기를 만들려면 실제 비행기가 날아다니는 환경을 알아야 한다고 생각했는데, 실제 비행기를 직접 타보니 교과서로만 보던 비행과는 엄청난 차이를 느꼈습니다.

이 같은 그의 경험은 다른 항공 전문가들에게 적지 않은 파장을 일으켰고, 이후 몇 몇 연구원과 교수들이 구 박사의 뒤를 이어 비행기 조종사 면허를 취득하기도 했습니다.

구 박사는 항우연 스마트무인기개발사업단 무인체계팀장을 맡아 휴일도 없이 연구개발에 몰두했습니다.

무인기 전문가이자 유인 항공기 조종사이기도 한 그의 꿈은 현재 자동차 운전 기술 수준으로 조종할 수 있는 비행기를 개발하는 것입니다.

즉, 자동차처럼 장소에 제약없이 이착륙하고 보관할 수 있고, 안전하게 하늘을 나는 것입니다.

이것이 실현되려면 보다 많은 부분이 무인화 돼 현재 요구되는 복잡한 비행기술을 컴퓨터가 보완해줘야 한다고 합니다.

구 박사는 무인기의 자동화 기술과 기존 유인기의 비행 기술이 접목되면 일반인도 타고 다니는 비행기를 실현 할 수 있을 것으로 보고 연구에 몰두하고 있습니다.

“많은 연구자들이 불모지에서 맨몸으로 시작한 기술들을 다듬어 쓸모있는 보석으로 만들고 싶다”는 것이 구 박사의 계획입니다.

<구삼옥 박사 1문 1답>

-어려서부터 비행기를 좋아했다는데?
"아주 어렸을 때부터 전생에 날짐승이지 않았을까? 생각했다. 본능적으로 좋더라고, 비행기 좋아하는 사람 어렸을 때 반짝 좋아하는 것이 대부분이다. 끝까지 좋아하는 사람들은 소수이지만 굉장히 강한 호기심을 가지고 있다. 초등학교 진학 전에 편대비행 하는 비행기를 넋을 잃고 봤던 기억이 난다. 학교 다니는 형들 누나들 책에 있는 비행기를 보면서 나중에 크면 만들어보겠다는 생각을 많이 했었다."

-어려서 꿈은?
"비행기를 타보고 싶었고, 중학교 때까지는 공군사관학교 진학이 목표였다. 그 때 공사 입학 기준은 상당히 높았다. 고등학교 입학까지는 시력이 좋았는데, 고 3때 시력이 1.2여서 결격됐다."

-언제 비행기를 처음 만들었나?
"고무동력기 만들던 친구들이랑 엔진 달린 비행기를 만들자고 했다. 중학교 1학년 때 용돈을 모아서 마산에서 부산까지 버스를 타고 갔다. 학생과학 잡지에 난 광고를 보고...아직도 기억난나. 학생과학 1971년 5월 호. 당시 채연석 박사(전 항우연 원장)가 경희대 학생으로써 로켓개발의 역사를 연재하기도 했다. 중고 엔진이랑 비행기 키트까지 사면 비싸기 때문에 발사목과 베니합판 등을 사고 모자란 자제는 뒷산의 오동나무까지 베어서 유선조정 비행기 만들었다."

-고교 시절은? 
"고등학교에 가면서 입시를 준비하느라 비행기를 거의 못 만졌다. 공군사관학교를 못가게 되니 항공 관련 학과는 서울대, 인하대, 항공대 세 곳 뿐이었다. 당시 항공대는 항공대는 국립으로 서울대 치대보다도 점수가 높았다. 당시 예비고사 제도에 따라 지역을 선택해야 했고, 항공대에 특차 지원했다. 15대 1의 경쟁률을 뚫고 합격했다."

-항공대는 어땠나?
"77학번 항공기계공학과 입학. 학비가 국립 사범대 수준이었는데, 등록금이 7만 원이었다. 학교에 활주로가 있고, 비행기가 날아다니는 것에 놀랐다. 비행기를 보면서 학교를 다니니 천국이 따로 없더라. 학교가 작고 학생수도 적다는 것은 나중에야 알게됐다. 입학해서 모형비행기 동아리 재창설하고 회원을 모집했 활동했다. 대학 시절 무선조정 비행기를 만들었었는데, 다 만들때 즈음 항공대가 사립으로 전환됐고, 육군항공대가 터줏대감 행새를 하면서 학생들의 비행기를 못날리게 했다."

-KAIST 대학원에 진학해서는?
"졸업할 즈음 한국과학원(현 KAIST) 항공과가 생겼다. 1981년이다. 좋더라. 학비가 무료고, 캠퍼스를 24시간 가동했기 때문에 웬종일 공부하는 천국이었다."

-졸업 후 진로는?
"석사학위를 받고 새로 생긴 한국기계연구소 항공기계실에 들어가 연구원 생활을 시작했다. 그동안은 돈이 없어서 비행기를 못했는데, 돈을 벌어 비로소 비행기를 할 수 있어 기뻤다. 1983년에 산 조정기를 아직도 가지고 있다. 항공기 및 부품 품질보증 체제와 다목적 무인 비행선, 항공기용 개스터빈 엔진 등을 연구했다."

-항우연 창설맴버가 됐다고?
"당시 항공기계실장인 최동완 박사와 항공우주연구소 창설 작업에 참여했고, 1989년 10월 현판식을 가졌다. 당시는 기계연구소 대전 부설이었다. 1989년부터 박사과정에 들어갔다. 연구소 추천으로 KAIST에서 공력음향학을 공부했다."
 
-무인기는 언제부터?
"1995년 박사를 마치고 중급항공기 개발에 참여하면서 항공기를 설계했다. 그러다가 중형항공기 사업으로 격상되면서 비행기 개념 설계를 맡았다. 그러나 우리는 터브프롭, 중국은 제트여객기 개발 주장하면서 틀어졌다. 1999년 사업이 중단되면서 본격적으로 무인기 관련 일을 하기 시작했다. 그동안 개발한 기체의 축소모델을  무인기로 만들어 기술을 습득하자는 것이었다."

-우여곡절이 많았다고?
"전자분야를 처음 개발하다보니 비행을 실현하기에는 무리였다. 일단 RC로 날리는 비행은 안정적으로 이뤄졌다. 당시 경험으로 1999년에 무인기 과제를 시작하면서 '두루미' 그룹이 생겼다. 난 그룹장이 됐다. 당시 목표는
24시간 체공하며 자동비행 하는 것이었다. 그런데 엔진 성능은 24시간 이상이지만 전자장비가 2시간만 비행하면 오류가 생겼다. GPS 수신 이상, 관성센서 오류 등이 생기더라. 나중에 기상관측용으로 활용하는 방안을 연구하기도 했다. 사업은 2004년 종료됐다.

-무인기의 본격적인 개발은?
"두루미로 무인기 체계가 완성되는 한편 21세기 프론티어 사업으로 2002년부터 스마트무인기 사업이 시작됐다. 
스마트무인기 사업 초기에는 전자 통신 관제 등의 중과제로 나눠져 있었는데, 그 중 체계종합 그룹 책임자가 됐다. 중간에 연구소 기본 연구 중 실용화 대상이 있으면 신청하라는 얘기가 있어 2007~2009년 '두루미3' 과제를 했다. 해당 기술은 영풍전자에 이전됐다. 또 소형무인기 지상관제시스템과 비행제어 컴퓨터 기술도 개발돼 이전했다."

-스마트무인기 개발 과정은?
"축소기를 통해 한 번도 안해 본 형태의 비행체를 시험해야 한다고 건의했다. 제작을 하다보니 축소기 자체도 우여곡절을 겪었지만, 많은 아이디어가 나와 2006년 가을부터 시험비행에 들어갔다. 우선 RC부터 시작했다. 이어 비행제어 컴퓨터를 장착하고 무인기로 만드는 작업을 2008년까지 진행했다.  2008년 8월 풀 컨버젼 천이비행 자동과정을 했고, 2008년 9월 데모 비행을 했다."

-비행기 조정 면허를 받았다는데?
"당시 고참 연구원부터 연구 연가를 보내주던 시절이다. 2005~2006년 1년 동안 조지아텍으로 연구연가를 다녀왔다. 이 시절 자비로 비행기 조종 훈련을 받았고, 미국 조종사 면허을 땄다. 비행기 시험을 하려면 비행기가 실제 날아다니는 환경을 알아야 하기 때문이다. 비행기를 많이 날려만 봤지, 실제 비행 계획 제출하고 관제사와 통신하는 등 활동을 해보니 무인항공기도 유인항공기를 알아야겠다는 생각 절실했다.

-늘 비행을 꿈꿨는데, 느낌은 어땠나?
"비행기를 직접 타보니 생각했던 것과 많이 달랐다. 이후 비행시험을 하는데 굉장히 많은 도움이 됐다. 비행에는  룰이 있어, 무인기라도 마음대로 날아다닐 수 없다. 나중에 충남대 석진형 교수도 자극을 받아 결국 미국가서 비행 면허증을 받더라. 또 항우연 성기정 박사도 미국서 조종교육을 받고 왔다. 나한테 바람잡혀서 여러명 다녀왔다. 실제 비행하면 생각이 달라진다. 외국의 연구원이나  항공사는 직원이 비행면허가 없으면 회사에서 돈까지 주며 면허를 따게 한다."

-단독 비행은 언제?
단독비행은 1996년 남원에서 초경량비행기를 몰았던 것이다.  드디어 날았다는 흥분과 만족과, 실망이 교차했다. 야~ 이정도 갖고는 갈길이 멀구나 생각했다."

-스마트무인기에 대해 설명하면?
"차근차근 한발한발 가야 한다. 비행기는 일회성 이벤트가 아니다. 기술적인 성과를 더욱 많이 내서 틸트로터 무인 항공기의 실용 가능성을 보여주는 것이 당면과제다. 수직이착륙을 할 수 있으면서 공중에 오래 떠있고 빠르게 날 수 있는 비행기 개념은 이것 밖에 없다. 스마트무인기를 제대로 개발하면 시장은 새로 생길 것이다. 그것이 되도록 물 주고 거름 주고 하며 가꿔야 한다. 맨땅에 박치기 하며 여기까지 왔다. 조금만 더해서 쓸모있는 보석으로 만들고 싶다."

-앞으로의 계획은?
"지금 유인 항공기는 보통 사람들이 탈 것으로 하기에는 너무 불편하고 어렵다. 그래서 무인기 기술의 자동화, 자율화에 유인기의 비행 기술이 접목되면 보통 사람도 타고 다닐 수 있는 비행기를 만들수 있다. 그렇게 해서 나부터 타고 다니겠다. 조만간 비행기 한 대 장만해서 내 손으로 타고 다니면서 자동화해야겠다. 자동차 운전 배우는 정도면 타고 다닐 수 있는 비행기. 예전엔 불가능했지만, 지금은 기술이 발전해서 가능한 것이다. 미국에 가면 아이패드 비행용 어플이 그렇게 많이 나와 있다. 아이티 기술이 접목되면 아무나 타고 다니는 비행기 나올 것이다."


<관련글>

 10년 연구개발 결실, 세계 최초 무인 틸트로터 스마트무인기 개발

http://daedeokvalley.tistory.com/241

구삼옥 박사  TEDxDaedeokvalley 강연 영상
http://youtu.be/jUe7EdiQP1c

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<스마트무인기 비행 동영상>

한국항공우주연구원이 개발한 스마트 무인기는 헬기와 프로펠러 비행기의 장점을 결합해 수직이착륙과 고속비행이 가능한 ‘틸트로터형’ 항공기입니다.

틸트로터 방식은 이·착륙 때는 헬리콥터처럼 로터를 수직 방향으로, 비행 시에는 로터를 틸트(tilt)해 비행기처럼 수평으로 운용하는 항공기입니다.

현재 틸트로터 비행기 개발 능력을 보유한 국가는 극소수에 불과합니다.

이번에 항우연이 개발한 스마트무인기는 틸트로터 항공기로는 세계에서 2번째, 무인 틸트로터 항공기로는 세계 최초입니다.

◆10년 연구개발 프로젝트 결실, 국내 무인기 산업 기반 확보

항우연은 세계적인 무인기 선진국 진입을 목표로 지난 2002년부터 전자동 무인 틸트로터 비행기인 ‘스마트무인기’ 개발 사업을 국가 장기 프로젝트로 추진했습니다.


이를 위해 지난 10년간 국내 수십 개의 기업과 대학, 연구소 등이 개발에 참여해 로터 및 드라이브 시스템을 공동개발하고, 엔진 등을 제외한 자동비행제어시스템 대부분의 품목을 국산화하는데 성공했습니다.

참여 기업은 한국항공우주산업(KAI), LIG넥스원, 휴니드테크놀러지스, 영풍전자 등 국내 20여 개 업체와 해외에서는 유관기업인 EATI 등이 참여했습니다.

우리나라는 이번 스마트무인기 개발을 통해 세계에서 2번째로 틸트로터 항공기 개발 기술을 보유하는 성과를 달성했다.

전 세계적으로 미국 벨 헬리콥터(Bell Helicopter) 사의 V-22(Osprey)가 유일하게 양산되고 있다.

벨 사의 V-22는 지난 1952년부터 개발에 착수, 테스트 비행 중 추락해 탑승 해병대원이 전원 사망하면서 전면 중단되는 등 우여곡절을 겪다 지난 2005년 미 해병대 수송용으로 실전 배치됐습니다.

참고로 틸트로터 수송기의 소요는 미군에서 비롯됐습니다.
상륙함을 통한 강습상륙을 위해서는 단위부대 수송과 고속 기동의 양 박자가 맞아떨어져야 합니다.
짧은 활주로를 가진 강습상륙함은 수직이착륙 비행체를 사용해야 하는데 저속 헬기는 휴대용 지대공미사일의 발달로 비행 중 피격 확율이 높고, 비행당 수송 인원도 적습니다 .
때문에 수직이착륙이 가능하면서도 고속 비행이 가능한 기체가 요구되고, 이에 따라 틸트로터라는 신개념 비행체를 요구했던 것입니다.


◆환경, 기상, 군사용 등 활용 가능성 무궁

스마트무인기는 산악지형으로 활주로 확보가 곤란한 국내 환경에 적합해 국민 실생활에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

또 군사작전용 뿐만 아니라 해안 및 도서 정찰, 산불 발생 감시 및 진압 통제, 교통 감시, 황사·해일·태풍 등 기상이나 환경 관측 등의 다양한 분야에서 활용이 가능합니다.

장래에는 활주로 없이 집에서 즉시 이동(Door to Door)이 가능한 자가용 항공기(PAV: Personal Air Vehicle)의 플랫폼으로도 응용될 수 있습니다.

이를 위해 지식경제부와 항우연은 향후 지속적인 개발을 통해 기능을 검증하고, 틸트로터 항공기 실용화를 위한 후속 사업을 적극 추진할 방침입니다.

항우연은 내년까지 충돌감지 및 회피 기술 검증, 최고 속도, 체공 시간 등  관련한 비행성능 검증을 지속적으로 수행하고, 틸트로터 항공기 실용화 개발을 위해 국내 기업과 공동으로 TR-6X급 무인기를 개발하는 한편 국제 협력 가능성도 모색할 계획입니다.

현재 미국과 중동 등 해외 업체들이 스마트무인기에 대해 협력 의사를 나타내고 있는 것으로 알려지고 있습니다.

항우연은 이번 개발 과정에서 이룬 항공전자, 통신, 관제장비 시험 등을 통해 향후 급속한 시장 확대가 예상되는 무인항공기 시장 진입을 위한 기반을 구축했습니다.

관련 업계는 현재 90억 달러(2010년 기준) 수준인 세계 무인기 시장이 2020년에는 190억 달러 규모로 확대될 것으로 내다보고 있습니다.

<스마트무인기 제원>
길이 5m / 최고속도 500km/h / 체공시간 5시간 / 탑재중량 100kg / 최대중량 100kg


<관련글>

스마트무인기 개발 주역 구삼옥 박사 인터뷰 바로가기
http://daedeokvalley.tistory.com/242

구삼옥 박사  TEDxDaedeokvalley 강연 영상 <http://youtu.be/jUe7EdiQP1c>

<스마트무인기 개발 개요>

스마트무인기 사업은 국가 장기 프로젝트의 일환으로 지난 2002년 6월부터 시작해 2012년 3월까지 틸트로터형 무인기를 개발을 완성한다는 목표에 따라 진행됐다.
기본 개념은 이·착륙 때는 헬리콥터처럼 로터를 수직 방향으로, 전진 비행 때는 프로펠러 비행기처럼 로터를 수평으로 운용하여 수직이착륙과 고속비행이 가능하고, 자율비행, 충돌감지 및 회피 기능을 수행하는 것이다.
1단계 기간인 2002년부터 2004년까지 스마트무인기 기본 설계와 비행체 형상연구, 핵심 시스템 기술연구 등을 수행했다.
이어 2008년까지 진행된 2단계에서는 상세 설계를 거쳐 비행체를 제작하고, 40% 축소기를 통한 비행 시험을 마쳤다.
그리고 2009년부터는 탑재품 설계와 제작해 실제 기체 비행시험을 병행, 지난 2월 초도비행에 성공했고, 지난 7월에는 회전익모드 비행, 지난달에는 천이모드 비행시험까지 완료했다.
스마트무인기가 완성되면 수직이착륙과 고속 비행의 장점을 활용해 기상과 통신, 환경 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다.
기상·환경 분야에서는 대기측정과 방사능 추출, 해양과 하천오염 감시 등에서 활약이 기대된다.
해안선이나 도로 순찰, 산불 감시나 재해지역 탐지, 밀입국 감시 등의 역할을 수행하는 데도 제격이다.
또 체공시간이 5시간이나 되기 때문에 군사 분야나 해양경찰 등의 감시, 정찰에도 사용될 수 있다.
이 밖에 긴급 사태 시 특정 지역에서 통신 중계기의 역할도 기대할 수 있다.

 

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65세 이상 노인 10명 중 8명이 앓고 있는 퇴행성 관절염에 대한 새로운 치료법이 개발됐습니다.

건국대 이정익 교수팀은 줄기세포(활막조직)와 연골세포를 배양, 혼합하여 얻은 '활막 연골 복합세포 이식체'를 손상된 관절 연골에 이식하여 퇴행성 관절염을 치료하는데 성공했습니다.
 
활막은 관절을 감싸고 있으면서 관절이 손상을 입을 경우 치유에 적극 관여하는 조직입니다.

이번에 개발한 이식체는 인공물질(담체)을 첨가하지 않고 세포(줄기세포, 연골세포)만으로 제작할 수 있어 인체에 안전하고, 줄기세포를 세포 이식체에 직접 혼합하여 제작과정을 단축시킬 수 있습니다. 

활막 연골 복합 세포 이식체의 현미경하 관찰상.* 적색부위는 연골세포를 녹색부위는 활막유래의 줄기세포를 나타냄.

또한 연골세포보다 2배 이상 빨리 자라는 줄기세포를 활용하여 환자의 연골조직 사용량을 현저히 줄일 수 있고, 체외배양시간도 절반으로 줄어 세포치료제를 준비하는데 필요한 조작과 비용을 줄이면서 대량 생산할 수 있게 됐습니다.

연구 이식체 속에 연골세포가 함께 있어 활막 줄기세포가 연골세포로 분화되는데 중요한 역할을 하였고, 이식체를 보다 신속하게 연골 변성 부위에 이식하여, 세포에게 유리한 체내 본래의 환경에서 연골조직으로 분화시켜 손상 연골을 재생, 수복시킬 수 있습니다.

신규 세포이식체에의 동물 이식실험*이식장면(좌측 및 중간) 이식완료(우측) 모습 (bar=5mm)

연구팀은 토끼를 이용한 실험에서 연골세포와 활막세포를 획득해 혼합한 후, 48~72시간 동안 배양한 결과 복합세포 이식체를 제작할 수 있었습니다.

특히 연구팀이 이식체를 연골 손상부위에 이식하자, 새로운 연골조직이 재생되어 정상적인 연골조직으로 분화된 것을 확인했습니다.

연골 손상 부위의 이식 후 8주 16주의 연골 재생관찰 이식의 유무에 따른 연골의 수복 상태의 비교. *세포를 이식한 토끼가 손상을 그대로 방치한 토끼에 비해 연골조직이 치료되어 정상 연골 조직으로 재생됨. (bar=5mm)

이번 연구결과는 근골격계 연구분야의 권위 있는 학술지인 'European Cells and Materials'지에 온라인(11월 9일자)으로 게재되었습니다.  
(논문명 : Transplantatation of scaffold-free spheroids composed of synovium-derived cells and chondrocytes for the treatment of cartilage defects of the knee)

이정익 교수(오른쪽 끝)와 이번 연구에 참여한 김현우 학생(오른쪽 두 번째) 및 연구원들

 용  어  설  명

담체(scaffold) :
인공물질로 제작된 생체재료들로서 세포를 이식할 때 목적에 따라 세포와 동시에 이식함. 생체친화성, 생체적합성이 요구되어지며, 종류에 따라서는 이식후 체내에서 흡수되기도 하고 남아있기도 하여, 체내에서 이물반응이나 염증반응 등의 문제를 야기하기도 함.

활막(synovial membrane) :
관절을 감싸는 조직으로 관절액을 생산함. 연골이 손상 입는 등 관절에 손상을 입게 되면 활막조직은 관절의 치유에 적극적으로 관여하며, 간엽계 줄기세포의 존재가 알려져 있음. 활막조직 유래의 간엽계 줄기세포는 연령에 관계없이 증식능력이 뛰어나며, 다른 조직 유래의 간엽계 줄기세포보다 연골세포로의 분화에 유리하다고 알려져 있음.

posted by 글쓴이 과학이야기

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