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“얼만큼 아파?”라고 물을 때 어떻게 답해야 할까요?

눈물 나도록? 무척이나? 죽을 만큼?

통증 정도

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

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

통증의 척도를 알 수 있는 객관적인 지표가 없어서 그렇습니다.

때문에 세계 의학계에서는 통증의 객관적 정도를 파악하기 위해 연구하고 있는데요.

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

통증 10단계통증 10단계

통증 인식

통증을 인식하는 방법은 크게 촉각이라고 할 수 있습니다.

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

이 때 강도에 따라 전달체가 촉각수용체와 통각수용체로 나뉘게 됩니다.

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

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

그럼 이렇게 전달된 촉각을 뇌가 어떻게 분석해서 통증으로 알려줄까요?

온도신경

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

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

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

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

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

체성감각 비밀을 풀다

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

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


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

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

한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도



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

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

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

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

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

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



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

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



용 어 설 명


순수 온도감각

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

 

스퀴드(SQUID, Superconducting QUantum Interference Device, 초전도양자간섭소자)

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

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

 

뇌자도(腦磁圖) 측정장치(MEG, MagnetoEncephaloGraphy)

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

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

 

fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging, 기능적 자기공명영상)

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

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

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

 

신경생리학(neurophysiology)

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


연구성과의 의의 및 활용방향


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

이것은 순서량이라고 하는 측정값으로써 매우 주관적이다.

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


연구성과 에피소드


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

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



연구자 약력


1. 인적사항

 ○ 성 명 : 김 기 웅        ○ 직 위: 책임연구원

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소

 ○ 전 화 : 042-868-5676, 010-3033-7492

 ○ e-mail : kwkim@kriss.re.kr


2. 학력

 ○ 1995 KAIST 물리학과 이학사 (고출력레이저광학)  

 ○ 1997 KAIST 물리학과 이학석사 (비선형동력학)

 ○ 2002 KAIST 물리학과 이학박사 (고체물리학)


3. 경력사항

 ○ 2006 – 2007, 미국 프린스턴 대학교 물리학과, 객원연구원 

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

 ○ 2006 – 현재, 과학기술연합대학원대학교 의학물리학과 교수  

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


4. 학회/전문 활동

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

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


5. 전문 분야 정보

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


6. 발표논문, 특허 및 수상내역 등

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

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

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

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

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


posted by 글쓴이 과학이야기

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

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

타이머에 1초가 표시는 경우 실제 남은 시간은 1초 이하입니다.

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


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

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


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

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

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

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

 

<대한민국 표준시 정하는 KRISS-1>

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

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

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

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

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 오~ 2012.08.01 02:34  Addr Edit/Del Reply

    참.. 다들 수고 많으시네요!

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

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

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

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

정수용 박사

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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


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

 용  어  설  명

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

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 이것도 신기하네요. 고등학교때 과학동아에서 본 탄소나노 튜브라는 것과 비슷한 것 같기도 하고..
    에궁 어렵네요.

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

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

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

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

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

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


 

posted by 글쓴이 과학이야기

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

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

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

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

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

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

posted by 글쓴이 과학이야기

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이슬점은 공기 중 포함된 수증기가 물로 응축되는 온도를 말하는데, 이슬점을 안다고 하는 것은 공기 속에 얼마나 많은 수분이 존재하고 있는가, 혹은 얼마나 건조한 상태인가를 알 수 있는 수분의 척도입니다.

일상생활과 산업공정에서 적정한 습도의 존재는 매우 고마운 존재이지만, 반도체 등 첨단산업에서는 수분은 불청객으로 취급 받습니다.

반도체 공정에서 극미량의 수분 일지라도 이는 제품의 품질에 결정적인 영향을 미치는데, 특히 반도체 제조과정 가운데 식각 공정에 쓰이는 각종 가스의 수분이 정상치를 넘을 경우 박막의 전기 광학적 성질이 바뀌어 제품의 불량률을 높이는 요인이 됩니다.

때문에 최근 첨단 산업공정에서는 ppb 정도의 극미량 수분의 측정 및 조절이 필수적입니다.

이 영역에서 수분을 측정할 수 있는 계측기가 최근 개발되어 반도체 공정 등에 설치되어 품질을 책임지고 있지만, 이런 계측기들의 정확도를 평가할 수 있는 극미량 수분표준이 없어 그동안 측정 신뢰성 및 품질 관리에 문제점으로 작용했습니다.

한국표준과학연구원(KRISS) 온도센터 최병일 박사팀이 반도체 수율 향상에 핵심 요소인 ppb 수준의 극미량 수분표준을 국내 최초로 확립했습니다.

이번에 확립한 수분표준 영역은 이슬점으로 -105 ℃, 5 ppb(10억 분의 5) 수준으로, 일반 가정용 가습기 습도의 100만 분의 1에 해당하는 극미량의 수분양입니다.

현재 5 ppb 수준까지 수분을 정확히 측정하고 제어할 수 있는 기술을 보유한 나라는 미국, 영국, 독일, 일본 등에 불과합니다.

연구팀은 극미량의 수분을 정확하게 제어하고 발생시킬 수 있는 장치를 개발해 수분표준을 확립했습니다.

연구팀인 극저온인 -95 ℃를 유지하며 내부가 얼음으로 코팅되어 있는 용기(포화조) 내에 건조가스를 주입해 고압 상태에서 얼음과 수증기가 열적 평형상태인 포화된 습공기를 만들고, 이를 다른 압력과 온도로 방출시키는 방법으로 온도와 압력과의 열역학적 관계식을 응용했습니다.

이를 통해 정밀하게 조절된 극저수분 공기를 만들어 수분의 양을 100억 분의 5개(0.5 ppb)이내로 정밀하게 측정하는데 성공했습니다.

현재 산업체에서 필요로 하는 극미량 수분계측기 교정의 하한 영역은 이슬점 -120 인 0.2 ppb(100억분의 2)입니다.

앞으로 연구팀은 산업체가 필요로 하는 수분 영역까지 극미량 수분표준을 확립하거, 확립한 극미량 수분표준을 보급하기 위해 산업체에서 사용하고 있는 수분계측기에 대해 교정을 실시할 계획입니다.


극미량 수분표준 발생장치로 수분계측기를 교정하는 최병일 박사.

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프탈레이트 가소제는 플라스틱을 부드럽게 만들어 주는 첨가물질로 1930년대부터 사용됐습니다.

이후 환경과 건강에 대한 인식이 높아지면서 프탈레이트 가소제의 독성에 장기간 노출되면 생식기능이나 신체 발달에 부정적인 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다.

이처럼 프탈레이트는 내분비계 교란 물질임이 확인됐지만, 지금도 어린이 장난감에서 건축 자재, 의료용품, 가전제품, 샴푸에 이르기까지 각종 소비재에 널리 포함돼 있습니다.

이에 유럽을 중심으로 유해물질사용제한지침(RoHS)과 신화학물질통합관리제도(REACH) 등에서는 프탈레이트계 가소제의 사용 제한까지 검토하고 있는 실정입니다.

우리나라를 비롯해 유럽, 미국 등에서는 특히 어린이 장난감에 들어가는 프탈레이트 가소제 물질을 엄격히 규제하고 있습니다.

이에 우리나라 환경부는 프탈레이트 가소제 함유 가능성이 있는 134개 제품을 대상으로 프탈레이트 가소제 물질을 조사해 지난해 4월 발표하기도 했습니다.

그 결과 일부 유아용 장난감과 플라스틱 인형 등 10개 제품(7.5%)에서 프탈레이트 가소제 노출량이 독성 참고치를 초과한 것으로 나타난 바 있습니다.

또 프탈레이트 가소제가 포함된 생활용품이 폐기과정에서 분해될 때 토양이나 수원 등을 오염시키거나 생활환경에 가스 상으로 발산 되어 다양한 경로로 인체에 흡수될 수 있기 때문에 특별한 관리가 필요합니다.

□ 이 물질의 인체 유해성이 알려지면서 관련 물질이 포함된 제품에 대한 수출에 있어 기술적 무역장벽(TBT)으로 작용하기도 합니다.

유럽연합은 수입 제품에 포함된 유해물질의 양을 제한하고 있으며 중국, 일본 등 각국으로 그 규제가 확산되고 있습니다.

따라서 이 물질이 포함된 제품의 생산 및 유통, 폐기, 재활용에 이르는 전 과정에 걸쳐 친환경적인 노력이 필요합니다.

국제무역에 있어 환경규제는 FTA 등으로 힘을 잃은 관세장벽을 대신하는 새로운 무역장벽인데, 이는 과학이 발달한 선진국에 극히 유리한 장벽입니다.

수출중심 국가인 우리나라는 제품 개발단계부터 환경을 고려하지 않으면 앞으로 심각한 위기를 맞을 수도  있습니다.

가장 강력한 무역 장벽으로 떠오른 환경 규제에 대한 각종 오염물질 측정기준 마련 등 과학적 대비가 필수적입니다.

□ KRISS(한국표준과학연구원) 분석화학표준센터 김달호 박사팀은 PVC 에 포함되는 프탈레이트 가소제의 농도를 정확히 측정할 수 있는 인증표준물질을 세계 최초로 개발했습니다.

김달호 박사는 프탈레이트 가소제 측정용 인증표준물질을 개발하기 위해 함량을 정확히 측정하는데 영향을 미칠 수 있는 다양한 요인들을 평가해 각 프탈레이트 가소제의 순도분석 및 동위원소희석 질량분석법을 활용한 인증값을 결정했습니다.

이를 통해 시료의 분석을 위한 시료전 처리과정이나 기기측정과정에서 발생 할 수 있는 측정오차를 줄여 국제적으로 수용 가능한 최고 수준의 정확한 인증 값을 산출하는데 성공했습니다.

이번 프탈레이트 가소제 측정용 PVC 인증표준물질은 KRISS가 처음 개발한 것이며, 독일, 일본, 중국 등에서도 이 인증표준물질을 개발을 연구 중입니다.

KRISS는 이번에 개발한 프탈레이트 가소제 측정용 인증표준물질을 국내 70여 개소 RoHS관련 시험검사기관에 보급해 측정 신뢰성을 높일 계획입니다.

또 앞으로는 개발한 프탈레이트 가소제 규제 범위 농도 뿐만 아니라 저농도 측정용 인증표준물질까지 개발해 관련 분야 시험기관의 분석 능력을 향상시킬 계획입니다.

 

 
 용 어 설 명 

인증표준물질(CRM) :
물질의 화학적 조성 또는 물리적 성질을 측정하는데 있어 기준이 되는 물질을 말하며, 사용자가 직접 측정 기기를 교정하거나 측정 방법의 정확성을 판단하는 데에 사용한다.
물질의 화학조성을 측정하는데 사용되는 인증표준물질의 경우 물질에 함유된 화학 성분을 매우 정확히 측정하고 그 값을 인증서에 기재하여 인증표준물질과 함께 보급한다.
화학분석기관에서는 미지 시료 내에 함유된 성분을 인증표준물질과 비교 측정함으로써 정확성을 기할 수 있다.

동위원소희석 질량분석법 :
화학측정의 정밀도와 정확성을 향상시킬 수 있는 최상위 측정법이다.
플라스틱재료에 포함된 프탈레이트를 측정하고자 할 때 시료의 분석을 위한 전처리 과정에서 그 프탈레이트와 화학적 구조는 같으나 자연계존재 비율이 낮고 안정한 동위원소가 포함되도록 인위적으로 합성한 프탈레이트를 플라스틱 재료에 가한 후 질량분석기를 이용하여 플라스틱재료에 처음부터 들어 있었던 원래 프탈레이트의 양을 정확히 측정하는 방법이다.
이 방법을 사용하면 시료의 전처리과정이나 기기측정과정에서 발생하는 측정의 오차를 현저하게 줄일 수 있다.

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2012. 2. 23. 11:34 재밌는이야기/오거서



“몰입은 천재들의 전유물이 아니다.”

조선시대에 도인이라 불릴 정도로 학식이 높았던 유학자 화담 서경덕이 있습니다.
서 화담은 글자 한 자를 써서 방 안에 붙여놓고 이를 보며 몇날 몇일이고 생각해 그 뜻을 깨쳤다고 합니다.
이런 식으로 한 글자 한 글자...서화담의 방안 벽에는 글자를 써 붙여 놓은 종이가 겹치고 겹쳐 빈틈없이 붙어있었다고 합니다.
바로 '몰입'입니다.


◆ 몰입의 탄생

'몰입'의 저자 황농문 교수가 한국표준과학연구원에서 근무하던 시절, 자신이 신청한 연구과제는 탈락하고 대신 다른 사람이 수행하던 ‘저압 다이아몬드’ 관련 연구를 인수 받게 됩니다.

자신이 관심있는 분야도 아니고, 게다가 다른 사람이 하던 연구를 이어서 해야 한다는 부담이 그를 짓누릅니다.
만고 끝에 그는 마음을 고쳐 잡고 저압 다이아몬드에 대해 기초부터 차근차근 접근했습니다.
그리고 가장 근본적이자 핵심인 문제에 봉착했을 때 그는 특별한 경험 즉, ‘몰입’ 상태에서 이 문제를 통쾌하게 극복하며 ‘다이아몬드 생성 매커니즘 규명’이라는 세계적 연구 성과를 내놓습니다.

이 때의 경험을 바탕으로 황 교수는 ‘몰입’의 메커니즘을 체계적이고 과학적으로 정리하는데, 그 결과 나온 것이 책 ‘몰입’입니다.


◆'몰입'에는 프로이드와 달마가 있다 

‘몰입’을 읽고 이를 간단하게 요약한다면, 1980~90년대 유행했던 마인드콘트롤 관련 서적, 프로이드의 ‘꿈의 해석’, 불가나 도가의 수행서 등을 한 번에 보는 듯한 느낌입니다.
스스로 생각을 컨트롤하고, 이성 중심의 사고보다는 감성을 중시하면서도, 어떤 수행자와 같은 진지한 자세를 나름의 체계적 방법으로 제시하고 있습니다.


◆ 천재가 몰입하는 것이 아니라 몰입하는 사람이 곧 천재

이 책을 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

황농문 교수가 이 책을 통해 가장 전달하고 싶은 핵심은 “몰입은 천재들의 전유물이 아니다”인 것 같습니다.
아인슈타인은 범부의 입장에서는 우러러볼수 밖에 없는 천재 입니다.
그럼에도 아인슈타인은 “나는 몇 달이고 몇 년이고 생각하고 또 생각한다. 그러다 보면 99번은 틀리고, 100번째가 되어서야 비로소 맞는 답을 얻어낸다”고 했습니다.
저자는 이에 대해 “아인슈타인도 99번은 일반인과 똑같고, 단 한 번 천재가 되는 것인데, 이는 아인슈타인이 끊임없이 사고(몰입)했기 때문에 얻을 수 있는 일반인과의 차이”로 해석합니다.


◆ 몰입이란 물 흐르는 것과 같다

저자는 몰입이 지극히 이상적인 상태이지만, 그 과정은 그리 복잡하지 않다고 말합니다.

저자가 소개한  몰입 이론의 창시자 미하이 칙센트미하이로는 몰입을 ‘플로우(FLOW)’라고 명명했습니다.
마치 하늘을 날거나 물 흐르는 것처럼 편안한 상태에서 몰입이 이뤄진다는 것이지요.

저자는 몰입에 들어가는 과정을 단계별로 구체적으로 제시하고 있습니다.
일단 몰입에 들어가기 전에 준비할 것들이 있습니다.
문제설정, 몰입할 수 있는 환경 확보, 불필요한 외부 정보의 차단, 혼자만의 공간 선정, 규칙적이고 땀 흘리는 행동, 단백질 위주의 식사 등입니다.

이어 완전한 몰입에 들어가는 3일간의 과정을 제시하고 있는데, 첫날은 ‘잡념을 털어내고 자세를 만든다’, 둘째날은 ‘아이디어가 움직이기 시작한다’, 셋째날은 ‘생각하는 재미가 솟구친다’ 입니다.

특히 여기서 주목할만한 부분은 몰입을 하면 아이디어가 샘처럼 솟아나는데, 이 때 상태를 ‘행복의 절정’, ‘권태없는 영원한 쾌감’ 등으로 표현하는 것입니다.

이는 마치 불가 수행자가 득도했을 때 광명을 보는 듯한 기쁨을 얻는 상태와 유사합니다.
그래서인지 저자도 책 속에서 몰입과 화두선과의 관계에 대해 설명합니다.


◆ 이성과 직관의 순환

이 내용은 이 책에서 특기할만한 사항 중 하나입니다.
“나는 결코 이성적인 사고 과정 중에 커다란 발견을 이룬 적이 없다.” <아인슈타인>

저자는 고도의 이성적 두뇌 활동인 몰입이 영감적 직관과 선순환되는 과정을 설명하고자 하는데, 그 매개체는 바로 ‘수면’ 입니다.

즉 몰입 과정 중의 수면(특히 선잠) 상태에서 몰입의 원인인 문제 해결의 영감이 떠오른다는 것입니다.
저자는 이를 우연이 아닌 필연이라고 규정합니다.
이미 몰입과정에서 나온 해법이나 아이디어가 아직 드러나지 않은 상태인데, 이를 수면 중에 찾게 되는 것으로, 이는 곧 ‘내 안에 있는 아이디어’라고 합니다.


◆스스로 하는 몰입인가, 어쩔 수 없는 몰입인가

저자는 몰입을 분류합니다.

양태에 따른 분류는 스포츠 등 ‘활동 위주의 몰입’과 학습 등 ‘사고 위주의 몰입’이 있습니다.
동기에 따른 몰입 분류도 있습니다.
자발적으로 몰입에 빠져드는 ‘능동적 몰입’과 업무가 과제 등을 맡게 될 때 경험하는 ‘수동적 몰입’입니다.
그런데 여기서 중요한 것은 타의에 의한 수동적 몰입이라도 스스로 마음먹기에 따라 능동적 몰입이 될 수 있다는 것입니다.
즉 자기 일처럼 생각하고 적극적으로 나설 때 몰입의 즐거움도 배가 되고 보람도 커지는 것.
저자 역시 몰입하게 된 동기가 다른 사람이 수행하던 ‘저압 다이아몬드 연구’를 울며겨자먹기 식으로 맡았다가 이를 자기 것으로 소화시킨 것입니다.

그런데 이 책 내용 중 다소 의아한 부분이 있는데, 바로 몰입의 근본적 동기입니다.
저자는 시인 ‘기요르기 팔루디’나 ‘톨스토이’ 등을 사례로 몰입의 근본적 동기를 ‘죽음에 대한 두려움’이라고 강조합니다.
근원적으로는 수동적 몰입인 셈입니다.
그러나 종교적 이유이던 사상적 이유이던 간에 죽음과 무관한 삶을 살아가며 어떤 것에 '몰입'하는 사람들도 많을 것입니다.


◆ 베스트셀러 '몰입'

이 책은 흥행에 성공하며 베스트셀러가 됐습니다.

몇 몇 이 책을 읽은 분들은 이 부분에 다소 의아해 하기도 합니다.
그러나 ‘몰입’의 체계적 정리와 경험 사례 실증, 실천 방법의 구체화 등 저자의 소위 ‘이공계 마인드’적 정리와 서술이 동류의 책에서 볼 수 없는 장점인 것 같습니다.
특히 몰입을 교육으로 연계하는 부분이 있는데, 이는 영재·조기교육 등 갈수록 교육열이 높아지는 시기적 상황과 맞물려 흥행의 한 요소가 되지 않았나 하는 생각이 듭니다.

2012년 2월 14일 대전시청에서 열린 TEDxDaejeon salon에서 몰입에 대해 강연하고 있는 황농문 교수

 

 

 

 


 

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posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 까시 2012.02.24 12:46  Addr Edit/Del Reply

    저도 이책 사 놓고 다 일지 못했네요...
    몰입은 성공하기 위해 필요한 요소인것 같습니다...

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