우리얘기

반도체 회로의 초미세 제품개발 경쟁이 갈수록 치열해지고 있습니다.

그러나 현존 최첨단 반도체 기술로도 10㎚(나노미터) 이하의 반도체 제작은 불가능한데요.

기존 실리콘을 대체할 신물질을 이용한 차세대 반도체는 국가경쟁력 강화를 위해 반드시 풀어내야 할 숙제입니다.

특히 최근 광식각 패턴기술이 적용되던 반도체 회로의 크기가 물리적 한계에 도달하면서 이런 요구는 더욱 높아지고 있습니다.

이에 따라 생체소재를 이용해 초미세 회로을 제작하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있습니다.

이 중 DNA는 2㎚(나노미터)까지 정교한 미세패턴이 구현 가능해 차세대 신소재로 각광받고 있습니다.

2나노급 반도체가 개발되면 우표 크기의 메모리 반도체에 고화질 영화 1만 편을 저장하는 등 현재 상용중인 20나노급 반도체보다 약 100배나 많은 용량을 담을 수 있습니다.

□ KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀이 DNA를 그래핀 위에서 배열시키는 기술을 활용해 초미세 반도체 회로를 만들 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

이번 신기술 개발을 통해 기존에 사용되고 있는 물리적 방식의 최첨단 기술로도 불가능하다고 여겨졌던 2 ㎚(나노미터)급의 선폭을 갖는 반도체 개발이 가능해질 전망입니다.

연구팀은 'DNA 사슬접기'라고 불리는 최첨단 나노 구조제작 기술을 이용해 금속 나노입자나 또는 탄소나노튜브를 2㎚(나노미터) 까지 정밀하게 조절할 수 있는 점을 발견했습니다.

그러나 이 기술은 실리카나 운모 등 일부 제한된 특정 기판위에서만 패턴이 형성되기 때문에 반도체칩에는 적용이 불가능했습니다.

이에 김 교수팀은 다른 물질과 잘 달라붙지 않는 그래핀을 화학적으로 개질해 표면에 다양한 물질을 선택적으로 흡착하도록 만들었습니다.

DNA 들이 결합하면서 DNA 오리가미를 형성과 함께 그래핀 산화물 표면과 질소도핑/환원 그래핀 산화물 표면에 흡착되는 모습.

개질된 그래핀은 원자수준으로 매우 평탄하면서도 기계적으로 잘 휘거나 변형되는 그래핀의 장점을 갖고 있습니다.

이 위에 DNA 사슬접기를 패턴화할 경우 기존에는 불가능했던 잘 휘거나 접을 수 있는 형태의 DNA 회로구성이 가능할 전망입니다.

화학적으로 개질된 그래핀 위에서 형성된 직사각형 모형의 DNA 사슬접기 모양과 측정 사진

이번 연구결과는 화학분야의 세계 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 1월호에 표지논문으로 발표됐으며 관련 기술은 국내외 특허출원을 마쳤습니다.

 용  어  설  명

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재

광식각 기술 :
빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술

DNA 사슬접기 :
긴 단일 DNA 사슬 하나와 정교하게 설계된 짧은 단일 DNA 사슬들이 염기 서열 규칙에 따라 이중나선 DNA 구조로 접히면서 다양한 모양의 나노구조물을 형성하는 생체소재. 
DNA는 염기서열에 따라 규칙적으로 결합되어 유전정보를 저장하는 생체소재이며, 2006년도에 최초로 개발된 DNA Origami (DNA 사슬접기)는 긴 DNA 사슬을 마치 뜨개질하듯 정밀하게 설계된 짧은 DNA 사슬들과 결합시켜 다양한 형태의 나노 구조물을 만드는 최첨단 나노기술이다.

탄소나노튜브 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재

나노 기술 :
1나노미터는 10억분의 1m다.
즉 사람 머리카락의 1만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려넣는 초미세 가공기술이다. 반도체는 회로선 폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다

<보 충 설 명> ▣ 플레시 메모리의 회로 선폭에 대한 로드맵 2013년도에 10nm급 패턴 (16nm) 개발예정으로 되어 있고, 2011년 이후 현재 양산은 22nm 회로선폭으로 제작되고 있음을 나타냄 ▣ DNA사슬 형성과정 DNA 오리가미가 형성되는 과정을 모식도로 표현한 것이며 실제로 형성된 DNA 오리가미를 AFM 장비를 이용하여 그래핀 산화물 위에 잘 흡착되어 있는 것을 측정한 것임. ▣ DNA 사슬접기가 그래핀에 흡착된 상태를 측정 DNA 사슬접기가 화학적으로 개질된 여러 종류의 그래핀에 따라 흡착된 상태를 AFM 장비를 이용하여 측정한 것이며 그것을 증명하기 위해서 XPS 장비를 사용하여 마그네슘 이온이 존재함을 확인한 자료  A) 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인 B) 질소도핑/환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인 C) 환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인 D) 그래핀에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인 화학적으로 개질된 그래핀 위에 DNA 사슬접기를 흡착시킨 후에 DNA 사슬접기 내에 특정 위치의 DNA 사슬 단일 가닥과 CNT와 결합된 다른 DNA사슬 단일 가닥과 결합하면서 CNT의 흡착 위치를 제어하는 것을 표현 DNA 사슬접기는 긴 원형의 단일 DNA 사슬에 수백개의 짧은 DNA 단일 사슬들과 이중나선 구조를 형성하면서 긴 원형의 단일 DNA사슬이 포개지면서 형성하는 것으로 짧은 DNA 단일 사슬들 중에 CNT에 결합되어 있는 DNA사슬과 결합할 수 있는 특정 단일 DNA 사슬을 사용하므로써 CNT의 위치를 제어 할 수 있습니다.

PET-MR은 인체조직의 해부학적 영상과 물질대사의 분석이 가능한 자기공명영상기기(MRI)와, 인체의 세포활동과 대사상태를 분자 수준까지 분석할 수 있는 양전자방출단층촬영기기(PET)의 장점이 결합된 최첨단 의료영상기기입니다.

이처럼 PET와 MRI의 장점만 갖춘 꿈의 의료영상기기인 PET-MR의 상용화를 위해 실리콘 광증배관 개발이 필수적입니다.

진공관식 광증배관을 이용하는 기존의 PET는 MR장비의 강한 자기장으로 인해 심각한 영상 왜곡이 발생하기 때문입니다.

실리콘 광증배관은 의료영상기기의 방사선 검출기에 들어오는 빛을 증폭하는 부품으로, 현재 국내에서 시판되는 대 당 50원 상당의 PET-MR 가격 중 10% 이상을 차지할 정도로 매우 고가입니다.

우리나라의 PET 시장규모는 3000억 원(2010년 기준)에 달하지만, 실리콘 광증배관 관련 기술은 독일, 일본, 미국 등 극소수 국가들만 보유하고 있으며 국산 부품은 전무했습니다.

□ KAIST 원자력및양자공학과 조규성 교수팀과 나노종합팹센터 설우석 박사팀이 공동으로 의료영상기기 중 하나인 PET-MR의  핵심소자 '실리콘 광증배관(SiPM)'을 개발하는 데 성공했습니다.

이와 함께 제작 공정을 단순화해 진공관식 광증배관 대비 1/10 수준의 가격경쟁력을 갖췄으며, 크기는 1/1000 수준으로 소형화를 실현했습니다.

연구팀이 개발한 실리콘 광증배관은 올해 동물실험을 거쳐 앞으로 2년 이내에 우선적으로 뇌전용 PET-MR에 적용해 상용화할 계획입니다.

반도체형 광증배관과 섬광체 단결정이 결합된 PET 검출기 개념도

마이크로 셀 어레이로 구성된 실리콘 광증배소자

격자형 섬광결정과 어레이형 실리콘 광증배소자 및 신호처리회로가 결합된 PET 검출기 모듈

단일 광증배소자 (우상) 및 4x4 어레이구조의 16채널 광증배소자(우하)

 용  어  설  명

실리콘 광증배관(SiPM ;Silicon Photo Multiplier) :

진공관식 광증배관(PMT) :
광전효과를 이용하여 빛을 증폭시키는 소자.
입사된 광자를 전자로 변환시킨 뒤 전기장하에서 가속하여 증폭시키는 과정을 반복한다.
증폭률이 100만배에 가깝고 그 성능을 인정받아 현제까지 가장 많이 사용되고 있는 광소자이다.
하지만 자기장 하에서 전자의 움직임이 영향을 받아 PET-MR에 사용할 수 없다.

양전자방출단층촬영기기(PET) :
환자에 양전자를 방출하는 동위원소를 주입한 뒤 특정부위에서 양전자가 방출되면 180° 방향으로 전자의 소멸에 의한 소멸방사선이 발생된다.
이때 환자를 둘러싼 링형태의 검출기에서 두 개의 소멸방사선을 동시에 계측하여 위치를 추정하게 된다.
암은 형성 초기에 다량의 포도당을 이용하여 에너지를 사용하므로 동위원소 표지가된 포도당을 주입하여 암의 조기 진단이 가능하다.
또한 CT나 MRI와 달리 신진대사 및 분자의 거동을 볼 수 있어 분자영상기기라고도 불린다.

감마선 :
방사선의 일종으로 에너지가 높아 투과율이 가장 높다.
PET에서 사용되는 동위원소에서는 전자의 소멸에 의해 511keV의 감마선 쌍이 180도 방향으로 방출된다.

에너지 분해능 :
방사선 측정기에서 서로 다른 에너지의 방사선을 구별할 수 있는 능력.
에너지 분해능이 높아야 잡음 및 외부 방사선으로부터 표적물질이 구분 가능하다.

시간 분해능:
방사선 측정기에서 측정된 서로 다른 신호의 반응 시간을 구별 할 수 있는 능력.
시간 분해능이 높아야 180도 방출된 소멸방사선의 동시계수가 가능하다.

스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에 적용되는 정전기방식 터치스크린은 손가락의 접촉을 통해 발생하는 정전용량 변화를 감지해 작업을 수행하도록 설계되어 있습니다.

이를 이용해 앞으로 병원에 가지 않고도 스마트폰을 가지고 간단한 질병을 진단하는 시대가 열릴 전망입니다.

KAIST 생명화학공학과 박현규 교수와 원병연 연구조교수 팀이 스마트폰 등에 사용되는 정전기방식 터치스크린을 이용해 생체분자를 검출하는 원천기술을 세계 최초로 개발했습니다.

박 교수팀은 DNA가 자체 정전용량을 가지면서도 농도에 따라 정전용량이 변화한다는 사실에 착안해 정전기방식의 터치스크린을 생체분자 검출에 활용할 수 있을 것이라고 예상했습니다.

이를 규명하기 위해 박 교수팀은 대표적 생체분자인 DNA를 터치스크린 위에 가하고 정전용량 변화량을 감지한 결과 터치스크린을 이용해 DNA의 유무와 농도를 정확하게 검출할 수 있음을 확인했습니다.

정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 surface capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 여러 지점을 동시에 접촉했을 때 접촉점의 시료 농도에 따라 터치 신호의 위치가 변하는 원리를 이용한 방법. 동시에 두 개의 미지 시료의 농도를 측정할 수 있다.

정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 projected capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 현재 스마트폰 등에 쓰이는 터치스크린 방식으로서, 터치스크린 표면 내부에 여러 라인의 전극이 패턴되어 있어, 각 전극의 정전용량 변화를 각각 측정함으로써 여러 접촉 시료의 농도를 동시에 검출할 수 있다.

이 결과에 따라 DNA 뿐만 아니라 세포, 단백질, 핵산 등 대부분의 생체분자가 정전용량을 갖고 있기 때문에 다양한 생체물질의 검출에도 활용될 수 있다는 가능성을 제시했습니다.

이번 연구는 모바일기기 등에 입력장치로만 이용했던 터치스크린을 생체분자 등의 분석에 이용할 수 있음을 세계 최초로 입증한 결과입니다.

연구 결과는 화학 분야의 세계적 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 1월호(16일자) 표지논문으로 선정됐습니다.

터치스크린을 이용한 생체 분자 검출 시스템 모식도 (앙게반테 케미 논문 표지). 휴대용 모바일 기기의 입력장치인 터치스크린 위에서 세포, 단백실, 핵산, 소분자 등의 생체 분자를 검출할 수 있다.

 용  어  설  명

정전용량 방식 터치스크린 :
터치스크린은 구현방식에 따라 저항막 방식, 정전용량 방식, SAW(초음파) 방식, IR(적외선) 방식으로 구분되며, 과거에는 저항막 방식이 주류였으나, 아이폰과 안드로이드폰 등 스마트폰이 등장한 이후에는 정전용량 방식이 주로 사용되고 있음. 손가락 등의 전도성 소재가 터치스크린 표면의 전극에 접촉했을 때의 정전용량의 변화를 감지하며, 여러 개의 접촉 지점을 동시에 인식할 수 있음

정전용량 :
절연되어 있는 물체에 전하(電荷) Q를 줄 때, 물체가 갖는 전위(電位) V와의 비. 정전 용량 기호 C, 단위 패럿(F), 1F는 1C의 전하로 1V의 전위(또는 전위차)가 생기는 크기.
 

<박현규 교수 프로필> 1. 인적사항 ○ 소  속 : 카이스트 생명화학공학과 2. 학    력 ○ KAIST 화학공학과 학사 1990 ○ KAIST 화학공학과 석사 1992 ○ KAIST 화학공학과 박사 1996 3. 경력사항 ○ 2006. 3. ~ 현재 카이스트 생명화학공학과 부교수 ○ 2002. 4. ~ 2006. 2. 카이스트 생명화학공학과 조교수 ○ 1996. 2. ~ 2002. 3. 삼성종합기술원 선임연구원 4. 주요연구실적 (최근 3년간) ○ "A touchscreen as a biomolecule detection platform" Byoung Yeon Won and Hyun Gyu Park*, Angew. Chem. Int. Ed., in press. - will be highlighted as a front cover article ○ "A highly efficient electrochemical biosensing platform by employing conductive nanocomposite entrapping magnetic nanoparticles and oxidase in mesoporous carbon foam" Moon Il Kim, Youngjin Ye, Byoung Yeon Won, Sujeong Shin, Jinwoo Lee* and Hyun Gyu Park*, Adv. Funct. Mater., 21(15), 2868-2875. ○ "Label-free colorimetric detection of nucleic acids based on target-induced shielding action against the peroxidase mimicking activity of magnetic nanoparticles" Ki Soo Park, Moon Il Kim, Dae-Yeon Cho and Hyun Gyu Park* , Small, 7(11), 1521-1525. - Highlighted as a front cover article ○ "Cell-based quantification of homocysteine utilizing bioluminescent Escherichia coli auxotrophs" Min-Ah Woo, Moon Il Kim, Byung Jo Yu, Dae-Yeon Cho, Nag-Jong Kim, June Hyoung Cho, Byung-Ok Choi, Ho Nam Chang and Hyun Gyu Park*, Anal. Chem., 83(8), 3089-3095 - Highlighted as a front cover article  ○ "Illusionary polymerase activity triggered by metal ions: Use for molecular logic-gate operations" Ki Soo Park, Cheulhee Jung and Hyun Gyu Park* , Angew. Chem. Int. Ed., 49(50), 9757-9760, - Highlighted as a cover article & Nature featured this paper at 'News & Views' of January 6th issue of 2011.

무선통신이나 레이더, 의료센서는 여러 개의 소형 안테나나 센서를 배열해서 사용하는 경우가 많은데, 이렇게 하면 하나의 큰 안테나와 같은 성능을 얻을 수 있습니다.

그러나 이 때 안테나로 추적하고자 하는 여러 개의 신호원이 동일한 파형이면 서로 간섭을 일으켜 신호원의 위치를 추적할 수 없게 되는데, 이것을 가간섭신호 문제(coherent source problem)라고 합니다.

이 문제는 지난 30여 년동안 근본적으로 해결되지 못하고 있는데, 예를 들어 의료 영상분야의 경우 뇌자도(MEG)와 심자도(MCG) 등을 이용한 간질이나 심장질환 분석에서 병변으로부터 나오는 신호가 간섭을 일으키면 정밀한 진단이 불가능합니다.

뇌전도(EEG)/뇌자도(MEG)를 이용한 간질 초점 국소화 문제에 있어서의 가간섭 신호원 분리 문제. 두 개의 상이한 간질 초점에서 동일한 발작간극파를 가지는 경우 배열신호처리를 이용한 간질원의 분리가 불가능하다.

이처럼 배열신호처리 분야에서 30년간 풀지 못한 서로 간섭하는 신호의 정확한 검출 문제가 해결됐습니다.

KAIST 예종철 교수팀은 최근 신호처리 분야에서 새로운 신호획득 기술로 주목 받고 있는 압축센싱기술을 이용해 기존의 배열신호처리 기법과 결합된 새로운 신호검출 알고리즘 개발에 성공했습니다.

압축센싱(Compressive Sensing) 기술은 나이퀴스트 (Nyquist) 이론의 한계보다 적은 샘플 수로부터도 완벽하게 신호를 복원할 수 있다는 최신 신호 처리이론입니다.

Generalized MUSIC 조건을 사용하여 신호원들의 위치를 찾는 과정. 먼저 기존의 CS 복원 알고리즘을 사용하여서 신호원들 중 일부의 위치를 찾고, 이를 바탕으로 나머지 신호원들의 위치를 Generalized MUSIC 조건을 사용하여 찾는다.

예종철 교수팀은 압축센싱 기술을 이용해 기존의 배열신호 처리방법으로 실패한 영역에서 성공할 수 있도록 배열신호처리와 압축센싱을 최적으로 결합할 수 있는 수학적인 조건(Compressive MUSIC algorithm)을 찾아냈습니다.

그 결과 기존의 배열신호처리 이론과 압축센싱 이론의 장점을 결합하여 지금까지 알고리즘의 한계를 극복할 수 있는 새로운 신호검출 알고리즘을 만들어냈습니다.

가간섭 문제에서 Generalized MUSIC 조건의 기하학적인 관점. R(B)는 신호공간, R(Q)는 잡음공간이며 R(Ax)는 sensing matrix에서 신호원의 위치 x에 해당하는 부분으로 이루어진 공간을 의미한다. 가간섭 문제이기 때문에 신호원의 위치에 해당하는 sensing matrix 가 잡음공간과 직교하지 않는 반면에(점선부분), Generalized MUSIC 조건에 따라 새롭게 정의된 잡음공간과는 직교하는 것을 알 수 있다.

이번 연구는 예종철 교수가 주도하고 김종민 연구교수(제1저자), 이옥균 박사과정생(제2저자) 등이 참여했습니다.

연구결과는 신호처리 및 정보이론 분야 학술지 'IEEE Transaction of Information Theory'지 1월호(1월 12일자)에 24쪽의 논문으로 게재되었습니다.
(논문명 : Compressive MUSIC : Revisiting the link between compressive sensing and array signal processing)

예종철 교수와 김종민 연구교수, 이옥균 박사과정생이 가간섭 문제 해결에 관한 배열신호처리 이론을 논의하고 있다. (왼쪽부터 이옥균 박사과정, 예종철 교수, 김종민 연구교수)

 용  어  설  명

배열신호처리 (Array Signal Processing) :

여러 개의 안테나(또는 센서)를 이용하여 신호원의 위치를 추정하는 분야로서, 1980년대 무렵 레이더를 이용하여 여러 개의 비행기를 추적하는 군사용 응용으로 개발이 되어왔으나, 그 이후 의료영상, 무선통신, 스마트 안테나 등의 다양한 응용분야에도 중요한 신호 검출 이론으로 사용되고 있다.

압축센싱(Compressive Sensing) 기술 :
신호 획득의  기본 원리인 나이퀴스트 (Nyquist) 한계에서 이야기하는 샘플수보다 훨씬 적은 샘플 수로부터도 완벽하게 신호를 복원 할 수 있다는 혁명적인 최신의 디지털 신호 획득 이론으로 이러한  기법을 바이오 및 의료영상에 적용해 시공간적인 분해능의 한계를 극복하고 초고해상도 영상을 복원할 수 있다.

가간섭신호문제 (Coherent Source Problem) :
안테나로 추적하고자 하는 여러 개의 신호원이 시간 축으로 동일한 파형을 가질 경우 서로간의 간섭을 일으켜서, 신호원의 위치를 추적하는 것이 불가능한 문제. 의료 영상분야의 경우 뇌자도(MEG), 뇌전도(EEG) 및 심자도(MCG) 등을 이용한 간질 및 심장질환 분석에 있어서도 병변으로부터 나오는 신호가 간섭을 일으키는 경우, 신호원의 위치에 대한 정밀한 진단이 불가능하다.

MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) :
배열신호처리문제에서 널리 사용되는 방법으로, 안테나(또는 센서)에 측정된 데이터들로 이루어진 공간을 신호 공간과 잡음 공간으로 분리하여 신호원들의 위치에 대한 벡터가 잡음 공간과 직교함을 이용하여 위치를 추적하는 방법이다.  이때에 신호 공간과 잡음 공간을 분리하기 위해서는 신호원들의 시간 축으로의 파형이 간섭이 서로 없어야 한다.

CS (Compressive Sensing/Compressed Sensing) :
복원하고자 하는 신호가 희소하게 분포할 때에 기존의 현대 디지털 신호처리의 기본 원리인 나이퀴스트 (Nyquist) 한계에서 이야기하는 샘플수보다 훨씬 적은 샘플 수로부터도 완벽하게 신호를 복원 할 수 있다는 혁명적인 최신의 디지털 신호 획득 이론이다.

<연 구 개 요> 배열신호처리(Sensor Array Signal Processing)란 여러 개의 안테나/센서를 이용하여 신호원의 위치를 추정하는 분야로서, 1980년대 무렵 레이더를 이용하여 여러 개의 비행기를 추적하는 군사용 응용으로 개발이 되어왔으며, 그 이후 의료영상, 무선통신, 스마트 안테나 등의 다양한 응용분야에 중요한 신호 검출 이론으로 사용되고 있다.  이때 신호원들의 위치를 추적하는 문제를 그림 1과 같이 나타낼 수 있는데, 이때 신호원들에서 나오는 신호의 간섭이 어느 정도인지에 따라 신호원들의 위치를 추적할 수 있는지의 여부가 결정된다. 즉 그림 1(a)은 신호원들이 시간 축으로 완벽하게 동일한 파형을 가지는 경우인데 이때는 신호원의 위치를 추정하는 것이 불가능하며, 그림 1(c)과 같이 서로 다른 파형을 가지는 경우 가장 추적이 유리하다. 그림 1. 다양한 형태의 신호원들. (a) 신호원의 간섭이 아주 심한 경우 (b) 신호원의 간섭이 조금 있는 경우 (c) 신호원의 간섭이 거의 없는 경우 이러한 배열신호처리 문제는 아래와 같은 수학적인 모델로 설명할 수 있다. 즉, 그림 2에서 행렬 A는 안테나의 감도의 다면체 (Antenna manifold)를 나타내며 B 행렬은 센서에서 얻은 모든 시간에서의 데이터를 특이값 분해 (singular value decomposition) 하여 차원을 줄인 데이터며, 행렬 X는 그에 해당하는 시공간상의 데이터를 의미한다. 가간섭 신호의 경우 그림 2(a)(b)와 같이 시공간의 데이터의 열벡터 개수가 신호원의 수보다 적은 경우를 나타내며, 그림 2(c)는 열벡터의 개수가 신호원의 수보다 많아 서로 간섭을 일으키지 않는 경우를 나타낸다. 그림 2. 다양한 형태의 배열신호처리 모델 (그림1의 등가 모델) 그림 2(c)의 경우는 배열신호처리에서 널리 사용되는 multiple signal classification (MUSIC) 알고리즘을 적용하면 되지만, 그림 2(a)(b)와 같이 가간섭신호 문제의 경우에서는 rank(B)가 추적하고자하는 신호원의 수보다 작게 되어서 MUSIC 조건이 성립을 하지 않게 되어서 신호원들의 위치를 구할 수 없게 된다. 이러한 문제는 그림 3과 같이 기하학적으로 볼 수 있는데, 여기에서 R(B)는 신호공간, R(Q)는 잡음공간이며 R(AX)는 신호원의 위치 X에 해당하는 부분으로 이루어진 공간이라고 할 때, 가간섭신호의 경우 신호원 위치에 해당하는 안테나 감도의 다면체의 원소가 잡음공간과 직교하지 않는다는 것을 알 수 있다 (점선부분). 하지만 rank(B)와 신호원의 개수의 차에 해당하는 신호의 위치에 대한 정보 를 다른 방식으로 추정할 경우 안테나 감도의 다면체의 원소는 이렇게 합하여 얻어진 부공간의 잡음공간과 직교하는 것을 알 수 있다. 그림 3. 가간섭신호 문제의 기하학적 구조 및 일반화된 MUSIC의 구조 이러한 기하학적인 구조를 이용하면 그림 4와 같이 압축센싱의 기법과 배열신호처리의 기법을 최적으로 결합할 수 있는 있는 일반화된 압축 MUSIC 조건을 얻을 수 있다. 즉, rank(B)와 전체 신호원의 수의 차에 해당하는 신호원의 위치를 압축센싱 기법으로 얻어내고, 나머지에 해당하는 신호원의 위치는 배열신호처리 기법으로 얻어낼 수 있다는 것이다.  그림 4. 압축센싱과 배열신호처리의 최적의 결합을 통한 가간섭신호원 추정기법 이번에 발견된 최적 신호 검출 이론은 단순 명료함에도 불구하고, 지난 30년간 밝혀지지 않았는데, 이는 기존의 연구가 신호처리만을 이용하는 결정적인 방법론과 압축센싱 만을 이용하는 확률적인 방법론의 양극단의 접근법만을 통하여 문제를 해결하려고 하여, 문제의 구조를 근본적으로 이해하지 못한데 있었다는 것이다.

<예종철 교수 프로필> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 카이스트 바이오및뇌공학과 부교수   2. 학력   ○ 1993 : 서울대학교  학사 (제어계측)   ○ 1995 : 서울대학교 석사 (제어계측)   ○ 1999 :  Purdue University, W. Lafayette (전자공학)   3. 경력사항 ○ 1999 ~ 2001 : Univ. of Illinois at Urbana-Champaign, Postoc Fellow ○ 2001 ~ 2003 : Philips Research USA, New York,  Senior Member Research Staff ○ 2003 ~ 2004 : GE Global Research, New York,  Senior Researcher ○ 2004 ~ 2007 : 한국과학기술원 바이오및뇌공학과, 조교수 ○ 2007 ~ 현재 : 한국과학기술원 바이오및뇌공학과, 부교수 4. 주요연구업적 1.  O. Lee, J.M. Kim, Y. Bresler, and J. C. Ye, "Compressive diffuse optical tomography: non-iterative exact reconstruction using joint sparsity,"IEEE Trans. Medical Imaging, vol. 30, no. 5, pp. 1129-1142, May 2011. 2. K. Lee, S. Tak, and J. C. Ye, "A data-driven sparse GLM for fMRI analysis using sparse dictionary learning with MDL criterion," IEEE Trans. Medical Imaging, vol. 30, no. 5, pp. 1076-1089, May 2011. 3. S. H. Tak, S. J. Yoon, J. Jang, K. S. Yoo, Y. Jeong, and J. C. Ye "Quantitative analysis of hemodynamic and metabolic changes in subcortical vascular dementia using simultaneous near-infrared spectroscopy and fMRI measurements," NeuroImage, vol 55, pp. 176-184, 2011 4.  H. Jung, K. H. Sung, K. S. Nayak, E. Y. Kim, and J. C. Ye, "k-t FOCUSS: a general compressed sensing framework for high resolution dynamic MRI," Magn Reson Med, vol. 61, pp. 103-116, January 2009. 5.  J. C. Ye, S. H. Tak, K. E. Jang, J. W. Jung, J. Jang, "NIRS-SPM: Statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy," NeuroImage, vol. 44, pp. 428-447, January 2009. 6. H. Jung, J. C. Ye, and E. Y. Kim, "Improved k-t BLAST and k-t SENSE using FOCUSS," Physics in Medicine and Biology, vol. 52, pp. 3201-3226, June 2007.

<김종민 연구교수 프로필> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 카이스트 바이오및뇌공학과 2. 학력   ○ 1999 :  카이스트 학사 (수학)   ○ 2001 :  카이스트 석사 (응용수학)   ○ 2007 : 카이스트 박사 (수리과학)   3. 경력사항  ○ 2007 - 2008 : 카이스트 자연과학연구소 연수연구원   ○ 2008 ~ 2009 : 국가수리과학연구소 박사후연구원   ○ 2009 ~ 2010 : 카이스트 정보전자연구소 연수연구원   ○ 2010 ~ 현재 : 카이스트 바이오및뇌공학과 연구교수 3. 주요연구내용 1. A.G. Garcia, J.M. Kim, K.H. Kwon and G. Perez-Villalon, Aliasing error of sampling series in wavelet subspaces, Numer. Funct. Anal. Optim., Vol. 29, no. 1-2, 126-144, 2008 2. J.M. Kim and K.H. Kwon, Sampling expansion in shift invariant spaces, International Journal of Wavelets, Multi-resolution and Information Processing, Vol. 6, no. 2, 223-248, 2008 3. J.M. Kim and K.H. Kwon, Vector sampling expansion in Riesz basis setting and its aliasing error, Applied and Computational Harmonic Analysis, Vol. 25, no. 3, 315-334, 2008 4. S. Kang, J.M. Kim and K.H. Kwon, Asymmetric multi-channel sampling in shift invariant spaces, J. Math. Anal. Appl., Vol. 367, no. 1, 20-28, 2010 5. O.K. Lee, J.M. Kim, Y. Bresler and J.C. Ye , Compressive Diffuse Optical Tomography: Non-Iterative Exact Reconstruction using Joint Sparsity, IEEE trans. Medical Imaging, Vol. 30, Issue 5, 1129-1142, 2011 6. J.M. Kim, O.K. Lee and J.C. Ye, compressive MUSIC: A Missing Link Between Compressive Sensing and Array Signal Processing, to appear in IEEE trans. Information Theory, Vol. 58, Issue 1, 2012 (in press)

트위터가 단기간에 전세계로 확산된 이유는?

트위터는 가장 먼저 젊고 과학기술을 잘 이용하는 샌프란시스코와 보스톤의 사용자들을 통해 도입됐습니다.

그 다음 단계에서 인접도시로 점진적으로 확산됐고, 오프라인 사회관계망이 정보전파에 주된 역할을 한 것으로 나타났습니다.

예를 들어 처음 도입한 두 도시와 지역적으로 근거리에 있는 캘리포니아의 버클리와 매사추세츠 주의 소머빌의 사용자들이 트위터를 도입했고, 이후 산타페, LA 등을 통해 최종적으로 팜비치, 뉴욕 등 미 전역으로 확산됐습니다

그런데 트위터가 세계적으로 유명세를 타는 데는 전통적인 사회관계망의 역할 뿐만 아니라 미디어의 주목이 큰 기여를 한 것으로 나타났습니다.

KAIST 문화기술대학원 차미영 교수는 최근 MIT 마르타 곤잘레즈 연구팀과 함께 오프라인에서 인간관계에 절대적인 영향을 미치는 지역, 사회, 경제적 요인과 더불어 미디어의 주목이 초기 트위터의 성장에 커다란 영향을 미쳤다는 분석을 담은 연구를 발표했습니다.

이번 연구에서 차 교수가 사회관계망과 더불어 주목한 것은 텔레비전과 신문 같은 전통미디어의 역할입니다.

차 교수 연구팀은 매주 구글 뉴스를 검색해 기사에 트위터가 몇 번이나 언급되었는지 데이터를 모으고 또 같은 시점의 트위터 사용자 수를 조사했습니다.

그리고 뉴스에서의 트위터 언급 횟수와 사용자 수의 상관관계를 분석했습니다.

분석 결과 이 둘은 같은 추이를 보인 것으로 나타나, 미디어가 트위터의 성장에 커다란 영향을 준 것으로 결론내렸습니다.

차 교수는 이와 함께 트위터의 성장에 대한 미디어의 영향을 알아보기 위해 또 다른 흥미로운 사례를 제시했습니다.

2009년 4월 할리우드 영화배우 애쉬튼 커쳐는 CNN에 출연해 누가 먼저 백만 명의 팔로어를 갖게 될 것인지에 대한 내기를 제안했고, 실제 약 이틀 만에 백만 명의 팔로어를 확보했습니다.

또 오프라 윈프리가 첫 번째 트윗을 하는 것이 미디어에서 다뤄졌는, 이는 또 다시 트위터 사용자 수의 급격한 증가를 불러일으킨 계기가 됐다고 합니다.

차 교수의 이번 연구는 2006년부터 2009년까지 트위터 데이터를 바탕으로 미국 내 408개 도시에서의 트위터 성장세를 분석, 이를 토대로 전염병의 확산모델과 유사한 사회관계망 기반의 확산모델을 수립해 밝혀냈습니다.

이번 연구결과는 온라인 과학전문지 '공중과학도서관 원(Public Library of Science ONE)' 저널에 곧 게재될 예정이며 MIT news, 미국 과학전문 소셜미디어 Mashable.com, MSNBC.com등에도 소개됐습니다.

해당 시간대에 각 지역별로 최종 가입자의 13.5%에 해당하는 '크리티컬 매스'에 해당하는 사용자들이 가입을 한 지역이 검은 원으로 표기된다. 작은 회색원은 이미 크리티컬 매스에 이른 지역을 표기한다. 트위터의 첫 도입은 샌프란시스코에서 시작되었으며 다음으로 주변 도시들에서 도입되는 것을 통해, 오프라인 사회관계망이 확산에 중요함을 시사한다. 반면 보스톤과 같은 지역에서도 초기 도입이 되었으며 이는 사회관계망 뿐만 아니라 인터넷과 같은 매체의 영향을 시사한다.

위 그림에서 검은 실선은 주별 최대가입자수를 1.0으로 보았을 때 매주별 트위터 가입자수의 변화를 나타낸다. 빨간실선은 같은 해당주에 대해 구글 뉴스에서 트위터가 언급된 비율을 나타낸다. 트위터 서비스가 시작된지 140주 이후에 각종 미디어를 통해 트위터가 많이 언급됨을 볼 수 있고, 따라서 트위터의 주별 가입자수 역시 급격히 상승하는 트렌드를 볼 수 있다.아래 그림은 매주 트위터에 가입한 총사용자수를 나타내는 검은 선과 이를 예측하는 다양한 모델의 결과를 보여주는 점선을 보여준다. 전통적인 확산모델의 경우 (파란점선) 초기 트위터의 성장세는 잘 예측하지만, 추후 미디어의 영향력 이후의 급성장을 보여주지 못한다. 구글 검색 결과를 반영하여 확산모델을 변형하면 (검은점선 및 노란점선) 실제 데이터와 유사한 트렌드를 예측할 수 있다.

지도상의 각 원은 트위터 사용자들이 있는 미국 내 도시를 의미한다. 시간에 따라 더욱 많은 사용자가 트위터에 가입할수록 원의 크기가 커진다. 각 지역별로 최종 가입자의 13.5%에 해당하는 '크리티컬 매스'에 해당하는 사용자들이 가입을 하면 원은 빨간색으로 표기된다. 화면 중앙에 하얀선으로 표기되는 그래프는 시간에 따른 트위터의 주별 가입자수를 의미한다.
<http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=Ncon_z67VQs>

<서남표 KAIST 총장 신년사>

친애하는 KAIST 가족 여러분,

새해 복 많이 받으시고, 댁내 행복이 가득한 한 해가 되시길 기원합니다.

다사다난했던 2011년 우리의 발자취는 KAIST 역사에 오래도록 기억될 것입니다.
1971년 설립 당시 그 누구도 상상하지 못했을 만큼 크게 성장한 우리는 KAIST 설립 40주년을 맞은 2011년 매우 뜻 깊은 한 해를 보냈습니다.
한편, 지난 봄 미래가 촉망되던 네 명의 소중한 학생들과 한 분의 저명한 교수님을 우리 곁에서 떠나보내면서 큰 슬픔을 경험했습니다.
이를 통해 우리는 주변을 다시금 돌아보게 되었고, 교육과 연구는 물론 학교운영 전반에 대해 깊이 성찰하고 KAIST의 높은 이상을 달성하기 위한 새로운 마음가짐을 갖게 되었습니다.

KAIST는 그동안 눈부신 발전을 거듭하며 국내외적으로 인정받는 최고의 연구중심대학으로 발돋움하였습니다.
지난 해, 교수님들께서는 다양한 분야에서 많은 상을 수상하였고, 여러 연구 과제를 수주하였으며, 또 세계적인 저널에 뛰어난 논문을 게재하였습니다.
우리 교수님들의 빛나는 업적들은 별첨#1을 통해 상세히 보실 수 있습니다.
학생들은  'ICISTS-KAIST 2011: Digital Metamorphosis'를 주최하며, 그 어느 해보다 큰 국내외적인 호응 속에서 대규모 국제컨퍼런스를 성공적으로 치러내며 뛰어난 능력을 인정받았습니다.
연구 분야에서는 2년이라는 짧은 시간동안 복잡한 공학시스템인 온라인전기차(OLEV)와 모바일하버(MH)를 설계하고 원천기술 개발에 성공하며, 세계적인 기관과 언론들로부터 큰 주목과 찬사를 받았습니다.
학교 기반시설도 성장을 거듭하여 7동의 새로운 건물이 완공되고, 현재 3동의 건물이 신축되고 있는 등 세계적인 경쟁력을 갖춘 최첨단 캠퍼스의 위용을 드러내고 있습니다.
학교는 내실있는 성장을 거듭하여 지난 5년간 교원의 수는 50%, 연구비는 150% 그리고 연간 예산총액은 100% 증가하였고, 총 자산은 1조원을 넘었습니다.
이렇듯 KAIST가 눈부신 성장을 거듭할 수 있었던 것은 학교의 모든 구성원들이 각자의 분야에서 헌신해 주었기 때문입니다.
학교의 발전을 위해 최선을 다해 주시는 전 가족 여러분께 진심으로 감사드립니다.

앞서 말씀드린 우리 교수님들께서 일구어낸 뛰어난 성과들은 연구환경의 선진화가 필요한 이 시점에서 매우 괄목할 만한 것입니다.
교수님들께서 학자이자 교육자이며, 연구자로서 큰 꿈을 이루기 위해 연구와 교육에 더욱 집중할 수 있는 환경을 조성하기 위해 학교는 교수님들께서 필요로 하는 연구 장비 및 시설 인프라 지원을 적극적으로 확대해 나갈 것입니다.
또한, 교수님들께서 연구시설 관리와 행정업무에 쓰는 시간과 부담을 현격히 줄일 수 있도록 연구 및 행정지원 전문인력을 늘리는 것은 물론 교수님들의 복지를 향상할 수 있는 재원을 마련하기 위해 최선을 다하겠습니다.

2012년은 교육과 연구 분야에서 우리 모두에게 새롭고 도전적인 한 해가 될 것입니다.

전 세계의 교육 분야는 지금 세계 일류대학들이 주도하는 교육개혁 속에서 매우 빠른 속도로 변화하고 있습니다.
일례로, 최근 MIT는 웹을 통해 개방형 교육콘텐츠(Open Course Ware)를 제공하고, 학교가 정하는 절차를 완수한 경우 일정한 자격을 인증해 주는 프로그램을 도입할 계획을 발표하여 고등교육의 혁명을 예고하였습니다.
이렇듯 세계 교육시장의 거센 변화 속에서, 현실을 빠르게 인식하여 더욱 효율적이고 보다 경쟁력 있는 교수법을 제공하지 못한다면, 앞으로 많은 교육기관들이 도태되고 말 것입니다.
KAIST도 더욱 빨리 움직여야 할 때입니다. 새롭게 도입하고자 하는 신개념의 I-Four 교육 등 Education 3.0 추진에 더욱 힘을 쏟아야 할 것이며, 우리의 교육은 학생 및 그룹 중심 그리고 개인별 최적화된 맞춤형 학습으로 변화해야 할 것입니다.

연구 패러다임도 급변하고 있습니다.
세계화의 바람이 거세게 불고 있는 이때, KAIST의 연구는 그 중심에 서야 할 것입니다.
세계적인 대학들은 최고의 교육과 연구를 수행하기 위해 국적과 성별에 관계없이 최상의 실력을 갖춘 재원을 발굴하여 교원으로 임용하고 있습니다.
뛰어난 인재들을 영년직 교원으로 임용하는 것 외에도, 선도대학들 간 인적교류를 통해 장단기적 협력연구 사업을 진행하는 것이 현재 세계 학계의 큰 흐름입니다.
세계의 일류대학들은 최고의 후학을 양성하고, 인류의 사고와 삶을 보다 높은 차원으로 이끌기 위해 연구에 매진하고 있습니다.
이러한 흐름에 발맞추어 KAIST도 국내는 물론 세계 각국에서 최고의 인재를 유치하기 위해 최선을 다해야만 합니다.
지금까지 우리는 빠른 속도로 눈부신 성장을 거듭하며, 세계적인 대학으로 발돋움했습니다만 이에 만족할 수 없습니다.
지금보다 더욱 강한 교수진을 구축하기 위해서는 더 많은 여성교원과 외국인교원을 임용해야 하고, 세계적인 석학 초청 세미나 등 최고의 인재들과 지혜를 나눌 수 있는 장을 더욱 자주 마련하며, 그들과의 협력관계를 활성화하고 공동연구를 수행하며, 소중한 시간을 보다 효율적으로 사용할 수 있는 최첨단 기술을 개발해야 할 것입니다.

KAIST는 기초연구를 더욱 강화하고, 21세기 인류가 해결해야 할 중요한 과제에 대한 해결책을 제시해야 합니다.
이를 위해 우리는 EEWS(에너지, 환경, 물 그리고 지속가능성)의 과제들을 발굴하여 뛰어난 성과를 거두었습니다.
하지만 그동안의 성과에 만족하지 않고, KAIST는 국가와 인류를 위해 어떤 문제를 앞으로 더 해결해야 하는지 이를 인식하기 위해 더욱 많은 노력을 기울여야 합니다.
우리가 풀어야 할 문제는 우리 정부를 포함해서 선진국들이 예산을 편성할 때 어느 분야에 우선순위를 두는지 분석함으로써 어렵지 않게 알 수 있습니다.
예산편성 시 우선순위는 곧 그 사업의 중요도와 깊은 상관관계가 있기 때문입니다.
현재, 선진국에서는 HED분야(의료(Healthcare), 교육(Education), 국방(Defence))에 국가예산의 상당 부분을 집중하고 있습니다. HED는 EEWS와 함께 KAIST가 반드시 해결해야 할 과제들입니다.
우리가 그동안 KAIST의 역량을 집중하여 EEWS분야에서 큰 성과를 거둔 것처럼 앞으로 기초연구에 더욱 많은 노력을 기울여 HED분야에서도 큰 성과를 거두어야 할 것입니다.
더불어, 정부에서 2013년도 예산에 HED분야가 적극적으로 지원되어 여러 기관이 공동의 노력을 기울여 이 사회가 당면한 문제를 해결할 수 있도록 다 함께 협력해 나갈 수 있도록 노력해야 할 것입니다.

학교는 학생들의 목소리에 더욱 귀를 기울이고, 학생들의 삶의 질을 향상하기 위해 노력할 것입니다.
대학원총학생회에서 희망하는 바와 같이, 연구 환경의 선진화를 위해 노력하겠습니다.
대학원생들의 생활 및 연구 환경을 세계 일류대학 수준으로 향상시키기 위해 새로운 TA/RA제도 등 대학원생 지원프로그램을 적극적으로 마련하겠습니다.
그리고 연구지원 전문인력을 채용하는 등 새로운 지원방안을 강구하여 우리 대학원생들이 연구에 더욱 집중할 수 있는 환경을 만들기 위해 최선을 다하겠습니다.
그동안 우리 학부생들은 즐겁게 공부하고, 친구들과의 깊은 우정을 쌓으며, 미래 지도자가 되기 위한 비전을 키워갈 수 있는 새로운 문화공간의 필요성을 얘기해왔습니다.
학교는 학생들의 의견을 적극 수용하여 첨단 학술정보문화관 신축을 위한 재원을 마련하기 위해 노력하고 있습니다.
또한, 신임 총학생회장단의 제안을 받아들여 본 캠퍼스 내를 순환하며, ICC캠퍼스를 잇는 OLEV 버스시스템을 도입하여 학생들의 편의를 향상시킬 예정입니다.
학교가 성장하면서 학생들의 수가 증가함에 따라 자연스럽게 학생들의 요구도 다양해지고 있습니다.
학교는 학생들에게 더욱 가까이 다가가 보다 효과적으로 학생들의 요구를 충족시키기 위해서 이영훈 학생지원본부장과 조애리 학생생활처장의 리더십 아래 학생처를 학생지원본부로 승격 및 재조직하였습니다.
학교는 교육의 질이 보다 향상되길 바라는 모든 학생들의 염원을 이루기 위해 KAIST Education 3.0 추진단을 설립하였습니다.
본 추진단은 조동호 ICC부총장과 이태억 단장의 책임 하에 I-Four 교육시스템 개발 등 교육패러다임의 변화를 통한 양질의 교육을 제공하기 위해 그 활동범위를 지속적으로 확대해 나갈 것입니다.

학교가 건강하고 생동감 넘치게 운영되며 발전을 지속하기 위해서는 학교를 구성하는 3대 축인 교수 학생 직원 모두가 뛰어난 능력을 갖고 있어야 합니다.
앞서 언급한 바와 같이 KAIST에는 최고의 교수진과 학생들이 있습니다.
여기에 더하여 그 어느 기관보다 뛰어난 직원들이 있습니다.
그동안 KAIST가 거둔 화려한 성공은 학교의 행정을 담당하며 불철주야 헌신해 준 직원들의 노력이 뒷받침 되었기에 가능하였습니다.
우리의 행정조직은 기획 예산 홍보 인사 총무 재무 구매 교무 시설관리 안전 산학협력을 비롯해 학교 운영에 반드시 필요한 기본예산 확보 등 학교운영 전반에 걸쳐 많은 시간이 소요되는 크고 작은 모든 일들에서 중추적인 역할을 수행하고 있습니다.
맡은바 분야에서 최선을 다해 준 직원 분들이 있었기에 KAIST는 오늘날 전 세계적으로 인정받는 훌륭한 기관으로 성장할 수 있었습니다.
직원 여러분의 노고에 거듭 감사드립니다.

2012년 새해, KAIST는 세계로 웅비할 것입니다.
지금 우리에게는 단결과 협력의 정신이 필요합니다.
구성원 간 단결과 협력을 통해 우리의 야심찬 목표와 계획을 달성하는데 필연적으로 수반되는 난제들을 힘차게 뛰어 넘을 수 있습니다.
기회는 준비된 자의 것입니다.
KAIST는 이미 준비가 되었습니다.
지금 마주하고 있는 난제들을 건설적인 도전과 기회로 삼는다면, 새로운 지식과 배움을 끊임없이 추구하는 장이자, 특별한 재능과 창의성을 갖춘 사람들이 맘껏 능력을 발휘할 수 있는 터전이 되고자 하는 KAIST의 목표를 충분히 달성해 낼 수 있을 것입니다.

지금 이 순간이야말로 우리가 지금까지 일구어낸 성과를 훌쩍 뛰어 넘고, 무한한 상상력의 날개를 펼쳐 우리의 지평을 널리 확장해 나갈 때 입니다.
새해에는 창의적인 사고를 할 수 있도록 서로를 독려하고, 성공을 거둔 동료와 학생들을 상호 격려하고 지원하며, 윤리적이고 옳은 일을 하기 위해 자신을 헌신할 줄 아는 KAIST의 훌륭한 문화를 더욱 공고히 하기 위해 모두가 노력해 주시길 부탁드립니다.

새해 늘 건강하시고, 복 많이 받으시길 기원합니다. 감사합니다.

2012년 1월 2일, 월요일
KAIST 총장 서남표

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)

□ 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

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.