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물리학과 이형우 교수팀이 근적외선 광검출기의 광검출 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 개발했다. 이에 앞으로 야간 투시와 보안, 바이오 메디컬 분야 등에서 널리 활용될 수 있을 전망이다.이형우 교수(물리학과∙대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽)는 SrRuO3/LaAlO3/Nb-doped SrTiO3(SRO/LAO/Nb:STO) 이종접합에서 수 원자층 수준 계면 제어를 통해 근적외선 광검출 성능을 혁신적으로 향상시키는 방법을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘원자 규모 계면 제어를 통한 복합 산화물 이종접합 기반 근적외선 광검출(Atomic-Scale Interface Modification in Complex Oxide Heterojunctions for Near-Infrared Photodetection)’이라는 제목으로 <ACS nano> 12월호에 온라인 게재됐다. 가천대 엄기태 교수와 한국과학기술원(KAIST) 양용수 교수팀이 함께 연구에 참여했다. 아주대 대학원 석사과정의 유상혁 학생은 제1저자로 함께 했다. 광검출 기술은 입사 광자를 전기 신호로 변환하는 반도체 분야 기초 기술 중 하나로, 다양한 광전자 응용 분야에서 중요하게 활용되고 있다. 특히 근적외선 광검출기는 ▲야간 투시 ▲보안 ▲의료 진단 - 바이오 메디컬 이미징 등 여러 분야에 활용될 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 근적외선(Near-Infrared, NIR) 광검출은 파장이 대략 850nm~ 155nm 인 빛을 검지하는 기술이다. 눈에 보이는 가시광선 영역이 아니기 때문에 일반적으로 제어가 어렵고, 더욱이 장파장 영역이라 에너지가 낮아 정밀하게 검출하는 데에 어려움이 있다. 반면, 근적외선 빛은 가시광선에 비해 다른 물질 속으로 더 깊이 통과할 수 있으며, X선이나 UV처럼 부작용을 유발하지 않기 때문에 다양하게 응용될 수 있다. 또한, 장파장 빛인 만큼 산란이 적고 더 먼 거리까지 정보를 전달할 수 있다는 장점이 있어, 정밀 측정만 가능하다면 ▲광섬유 네트워크 통신 ▲생체 조직 내 바이오 이미징 기술 ▲야간 감시 장비 및 야간 적외선 시각화 ▲얼굴 인식 및 보안 분야 등에의 적극적인 활용이 가능하다.a. SRO/LAO/Nb:STO 기반 근적외선 검출 소자의 모식도 b.해당 소자를 이용한 광검출 측정 모습 c. 광검출 중 소자의 온도 변화 측정 결과: 온도 변화가 미미함을 통해 일반적인 열전자 기반의 광검출 방식이 아님을 입증했다현재 활용되는 대부분의 근적외선 광 검출 기술은 실리콘 또는 수은-카드뮴-텔루라이드(HgCdTe) 등의 II-VI 화합물 반도체를 이용한다. 하지만 실리콘의 경우 낮은 흡수 계수로 인해 근본적 성능 한계가 존재하며, HgCdTe화합물 반도체의 경우 낮은 재료 균일성과 화학적 불안정성이 문제로 남아있다. 이러한 한계를 극복하고자 쇼트키(Schottky) 접합 기반의 근적외선 광 검출기가 주목받기 시작했다. 여기에 활용되는 복합 산화물 이종구조는 쇼트키 장벽과 내부 전위 프로파일을 정밀하게 조정할 수 있어 매우 유망한 전자 소재로 볼 수 있다.아주대 연구팀은 극성(Polar) 단층 LAO를 삽입해 계면에서 쇼트키 장벽을 최적화해 근적외선 광(파장 850nm) 조사 시 ~1.1 mA/W의 높은 감응도를 유지하면서, 암전류(dark current)는 수 pA 수준으로 억제할 수 있었다. 이러한 원자층 수준 계면 제어를 통해 감응도를 최대 1371%까지 향상시키는 데 성공했으며 지속성 광전도성(Persistent photoconductivity, PPC)을 통해 광전도의 점진적인 제어가 가능함을 입증했다. 이 같은 성능 향상은 계면에 삽입한 극성 LAO층을 이용해 터널 장벽의 높이와 폭을 근적외선 검출에 적합한 형태로 제어했기 때문이다. 연구팀은 또 추가로 개발한 SRO/LAO/Nb:STO 기반 광소자를 이용해 근적외선 광신호의 공간 이미징 및 신경 모방 소자 구현 가능성을 실험적으로 입증했다. 이형우 교수는 “이번 성과를 통해 복합 산화물 이종구조 기반의 고성능 근적외선 광 검출기 개발이 가능해질 것”이라며 “관련 광전자 응용 분야에서 산화물 이종접합이 매우 큰 잠재력을 가지기에 야간 투시나 보안, 바이오 메디컬 이미징 등의 분야에서 널리 활용할 수 있을 것으로 본다”라고 말했다. 이번 연구는 교육부 주관 대학기초연구소(G-LAMP) 사업과 한국연구재단의 우수신진연구, 기초연구실지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.아주대 연구팀이 개발한 소자로 광검출 중인 모습
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- 작성일2025-01-10
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- 미세 변형 측정 가능, 뇌혈관 질환∙건축물 구조적 이상 등 모니터링에 활용 기대- <사이언스 어드밴시스(Science Advances)> 게재우리 학교 기계공학과 강대식 교수가 참여한 연구팀이 세계 최고 수준의 민감도를 가진 변형률 센서를 개발했다. 이 센서는 생체 환경에서 높은 활용도를 가져 생체공학 및 의료기기 분야에 널리 적용될 수 있을 전망이다. 강대식 교수(기계공학과, 사진)는 서울대 재료공학부 강승균 교수팀, 단국대병원, 미국 퍼듀대 연구팀과 함께 미세균열과 메타구조의 독창적 결합을 통해 초민감 유연 신축성 센서를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 해당 센서로 뇌혈관의 혈압 및 혈류를 연속적으로 측정, 뇌졸중을 실시간으로 진단하는 기술을 구현해냈다. 이번 연구 성과는 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)>에 12월20일 온라인 게재됐다. ‘변형률 센서(Strain Sensor)’는 재료나 구조물의 표면에 부착해 변형률을 측정하는 장치다. 변형률(Strain)은 외부에서 힘이나 하중이 작용했을 때 물체가 원래의 길이나 부피 보다 얼마나 변형되었는지를 나타낸다. 신축성이 높은 유연 변형률 센서는 전도성 재료의 전기저항 변화를 기반으로 특정 물체의 변형이나 생체 신호를 감지한다. 그러나 기존에 이용되어 온 변형률 센서는 측정가능한 민감도가 제한적이었다. 10⁻³ 이하의 미세한 변형률을 측정할 때 성능이 급격히 저하되는 것. 사람을 사망에 이르게 하는 뇌출혈이나 뇌경색 같은 뇌혈관 질환은 10⁻³ 미만의 초미세 변형을 동반하며, 건축물에서의 구조적 이상은 10⁻⁵~10⁻³ 수준의 표면 변형을 동반한다. 그림 왼쪽이 메타구조-균열 통합 기반 초고민감 변형률 센서 오른쪽은 메타-균열 센서를 구성하는 균열이 포함된 박막과 메타구조공동 연구팀은 음의 푸아송 비율(Poisson’s ratio, 수평 방향의 변형률을 수직 방향의 변형률로 나눈 비율)을 가진 메타구조를 도입, 기존 센서 대비 최대 100배 이상 민감도가 높은 새로운 유연 신축성 변형률 센서를 개발하는 데 성공했다. 이 센서는 10⁻⁵ 수준의 극미세 변형까지 측졍할 수 있다. 사람의 머리카락에서 원자 하나만큼의 길이가 늘거나 주는 수준의 극미세 변형까지 측정 수 있게 된 것. 연구팀은 실제 빵에서 피어난 곰팡이 균사에서의 접촉(10⁻⁵ 수준 변형률)을 실시간 감지, 미생물 성장 과정에서 보이는 극미세 변형도 모니터링 가능함을 확인했다. 연구팀은 또한 새로 개발한 센서를 두개골 내부 뇌혈관 표면에 부착, 혈압과 혈류 변화를 실시간 모니터링하는 데 성공했다. 뇌출혈이나 뇌경색 같은 뇌혈관계 질환이나 심혈관계 질환을 조기에 진단하고, 정밀한 의료 데이터를 확보할 수 있게 된 것이다. 센서는 생분해성 소재가 사용되어 인체 내에서 자연 분해되기 때문에 환자에의 적용이 안전하다. 이번에 개발한 센서는 의료 분야 뿐 아니라 로봇 공학이나 재난 구조, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 연구팀은 기대하고 있다. 위 사진 왼쪽 - 개 뇌 모델 혈관 표면에서의 생체 신호 모니터링 모식도. 위 오른쪽 이미지는 혈관 다발 표면에서의 초민감 혈압 변화 모니터링 현황을 보여준다. 아래는 실시간 혈류 변화 모니터링 모습
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- 작성일2025-01-09
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우리 학교 김의겸 교수 연구팀이 전방위 물체 조작이 가능한 고성능 로봇 손을 개발했다. 정밀한 접촉력을 측정할 수 있는 손가락 끝 촉각 센서도 함께 개발해 로봇 산업 분야에 널리 활용될 수 있을 것으로 보인다. 기계공학과 김의겸 교수팀은 다양한 방식으로 물체를 쥐거나 조작할 수 있는 고성능 로봇 그리퍼(Robot Gripper)와 정밀한 접촉력 측정이 가능한 촉각센서를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘전방위 물체 조작이 가능한 다자유도 산업용 로봇 그리퍼(INDEX Gripper: Industrial Dexterous Robotic Gripper Capable of All-Orientational Object Manipulation)’라는 제목으로 <IEEE-ASME 트랜색션스 온 메카트로닉스(IEEE-ASME Transactions on Mechatronics, JCR MECHANICAL ENGINEERING 부분 상위 5.2%)> 12월호에 게재됐다. 그리퍼 촉각센서에 대한 내용은 ‘정밀한 접촉력 측정이 가능한 손가락 끝 촉각 센서(Tactile Sensor Integrated Fingertip Capable of Detecting Precise Contact Force for Robotic Grippers)’라는 제목으로 <IEEE 트랜색션스 온 인더스트리얼 일렉트로닉스(IEEE Transactions on Industrial Electronics, JCR INSTRUMENTS & INSTRUMENTATION 부분 상위 2%)> 10월호에 실렸다. 이번 연구에는 아주대 기계공학과 김의겸 교수가 교신저자로, 이유성·박정화 학생(석박사 통합과정)이 제1저자로 참여했다. 두 논문의 공동 교신저자로는 한국기계연구원의 박동일 박사와 아주대 기계공학과의 최정일 교수가 함께 했다.왼쪽부터 김의겸 아주대 교수, 박동일 한국기계연구원 박사, 최정일 아주대 교수, 이유성 학생과 박정화 학생(석박사 통합과정)3지 형태의 로봇 손인 로봇 그리퍼(Robot Gripper)는 그동안 잡거나 놓는(pick and place) 수준의 작업만을 수행할 수 있었다. 신뢰할 수 있는 제어성과 견고함을 확보하기 위해 제한적으로 설계해야 하기 때문이다. 아주대 연구팀은 이 같은 제어성과 견고함을 유지하면서도 평행 잡기(parallel grasp), 정밀 잡기(pinching grasp), 감싸 잡기(enveloping grasp)와 같이 다양하게 물건을 쥘 수 있는 기능을 구현해 내는 데 성공했다. 더 나아가 물체의 방위를 손안에서 변경(in-hand manipulation)하거나 공구를 조작(Tool manipulation)하는 기능까지 가능한 로봇 손을 개발했다. 연구팀은 이를 위해 병렬 및 직렬 구조 기반의 새로운 링크 메커니즘을 개발, 기존에 개발된 메커니즘보다 높은 구동 자유도를 확보했다. 또한, 견고한 구동계 및 구조 설계를 통해 높은 파지(把持)력을 확보했다. 아주대 연구팀은 더불어 로봇 손끝에 결합할 수 있는 그리퍼 끝단 센서를 개발했다. 이 센서를 활용하면 물체가 어떻게 잡히고 조작되는지를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이 센서는 로봇과의 결합이 용이하고, 높은 공간 해상도(0.1mm 이하)와 분포 하중 측정 기능을 포함하고 있다. 이러한 특징은 센서가 정확하게 접촉력을 측정하고, 로봇이 섬세하게 조작할 수 있도록 제어하는 데 도움을 준다. 연구팀은 높은 공간 해상도를 확보할 수 있는 보정 알고리즘을 센서에 적용, 해당 기술을 개발할 수 있었다. 새롭게 개발한 센서와 로봇 손을 활용하면 휴머노이드 로봇이나 산업용 로봇의 끝단 장치(end-effector)로 장착해, 기존에 수행이 어려웠던 작업들을 하나의 그리퍼 플랫폼에서 수행할 수 있다. 예를 들어, 기존에는 로봇 그리퍼로 전구와 같은 물체를 단순히 잡고 놓는 작업만 가능했으나 새로 개발한 그리퍼는 전구의 방향을 조작해 원하는 방향으로 돌리고 전구를 끼워 설치하는 작업도 수행할 수 있다. 또한 볼트와 같은 작은 물체를 돌려서 빼고 방향을 맞춰 구멍에 끼우는 작업(peg-in-hole)뿐 아니라, 드라이버를 잡고 조작해 볼트를 조이는 작업까지도 가능하다. 특히 그리퍼 끝단 센서를 활용하면 물체가 어떻게 잡히고 조작되는지를 실시간으로 모니터링할 수 있어, 자동화 제어에 활용될 수 있다. 아주대 김의겸 교수는 “인간의 손 모양을 본떠 만든 인간형 로봇손은 특수한 제어방법론이 필요해 아직 산업 현장에서 직접 활용하기가 어려운 상황”이라며 “이번에 개발한 다자유도 그리퍼는 작업 범위가 매우 넓고 명확한 기능성을 가지고 있어 로봇 신산업 개척에 중요한 의미를 가진다”라고 전했다. 이번 연구는 산업통상자원부 로봇산업핵심기술개발사업과 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 김의겸 교수팀은 고성능 그리퍼 기술과 로봇용 촉각 센서 기술을 꾸준히 연구해 나갈 계획이다. 김의겸 교수팀이 개발한 로봇 그리퍼 모습. 물체를 정밀하게 잡고, 드라이버를 잡고 조작해 볼트를 조이며, 전구를 원하는 방향으로 돌려서 설치할 수 있다* [영상보기] 김의겸 교수팀 개발 그리퍼 & 센서의 실제 구동 모습☞Dexterous Robotic Gripper for Grasping Various Objects and In Hand Manipulation Tasks☞Tactile Sensor Capable of Detecting Precise Contact Force for In-Hand Manipulation
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- 작성일2025-01-06
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- 新 소재 활용, 시판 분유 분석 '유당' 포함 여부 확인 시연- 여러 바이오, 화학 소재 분석에 활용 기대우리 학교 권오필 교수가 새로운 테라헤르츠 분광기 소재를 개발했다. 테라헤르츠는 빛과 전파의 중간영역에 존재하며, 비파괴 방식으로 많은 물질을 쉽고 세밀하게 분석할 수 있어 과학계와 산업계의 주목을 받아왔다. 권오필(응용화학과·대학원 분자과학기술학과) 교수는 한국과학기술원(KAIST) 이상민 교수, 스위스 취리히응용과학대학(Zurich University of Applied Sciences, ZHAW) 모이짜 야즈빈섹(Mojca Jazbinsek) 박사와의 공동연구를 통해 새로운 테라헤르츠 분광기를 위한 소재를 개발했다고 밝혔다. 관련 연구성과는 소재분야 저명 학술지인 <스몰 스트럭쳐(Small Structures, JCR 상위 6.9%, IF 13.9)>에 게재됐다. 논문 제목은 ‘광대역에서 분자-포논이 없는 유기 테라헤르츠 광원과 이의 광대역 테라헤르츠 응용(Organic Terahertz Generators with Wide Entire-Molecular Phonon-Free Range and Their Application in Broadband Terahertz Spectroscopy)’이다. 테라헤르츠파(terahertz wave, THz)는 인간의 눈으로 볼 수 없는 물체 내부를 투과할 수 있고, 단단한 물질만을 투과하는 X-레이와는 달리 액체 종류까지 식별할 수 있다. 또 가시광선이 미칠 수 없는 높은 투과도를 지니면서도, 반도체와 금속 같은 전도성 있는 물질을 감지할 수 있다. 이에 제품이나 재료의 원형을 그대로 보존하는 비파괴 방식으로 많은 물질을 쉽고 세밀하게 분석할 수 있다. 인체에 무해한 것으로 알려져 있어, 암 진단이나 뇌 수술 같은 의료 분야와 바이오 공학을 비롯해 제조 공정의 품질 검사, 보안, 재료, 환경 등의 분야에서 다양하게 응용할 수 있다. 그러나 이를 활용하기 위한 기존의 유기 테라헤르츠 광원 소재는 분자-포논 현상에 의해 강한 테라헤르츠 흡수 특성을 나타내는 단점이 있다. 테라헤르츠파를 스스로 흡수해, 테라헤르츠파의 세기를 약하게 만들고, 특정 주파수 영역에서 테라헤르츠파가 발생되지 않는 단점을 보이는 것. 아주대 공동 연구팀은 강한 상호작용이 가능한 플루오린 그룹을 사용하여 분자-포논이 없는 유기 테라헤르츠 광원을 개발했다. 연구팀은 개발한 새로운 유기 테라헤르츠 광원 소재를 이용해 유당불내증을 일으키는 유당을 측정, 그 응용 분야를 시연했다. 유당불내증(Lactose intolerance)은 우유에 함유된 유당을 분해하지 못해 소화 흡수가 어려운 질환이다. 공동 연구팀은 새로운 유기 테라헤르츠 광원 소재 기반의 테라헤르츠 분광기를 통해 유당이 포함된 분유와 포함되지 않은 분유를 별도의 분리 기술을 사용하지 않고도 구분할 수 있음을 확인했다.권오필 교수는 “이번에 개발한 새로운 유기 테라헤르츠 광원 소재를 이용하면 유당 뿐 아니라 다양한 바이오, 화학 소재를 분석할 수 있다”며 “앞으로 다양한 응용분야에 적용이 가능할 것”이라고 전했다.
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- 작성일2024-12-27
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- 작성일2024-12-27
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