2014년, KAIST를 빛낸 연구성과를 소개합니다(3)
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2014년, KAIST를 빛낸 연구성과를 소개합니다(3)
  • 전철호, 권민성, 김하정 기자
  • 승인 2014.12.02 14:12
  • 댓글 0
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[물리학과] 기능 개선한 새로운 광자 다이오드 개발

▲ 광자 다이오드를 적용한 가상의 집적 회로 /조용훈 교수 제공

물리학과에서는 조용훈 교수팀이 새로운 광자 다이오드를 개발했다. 조용훈 교수팀의 연구는 9월 10일 자 <나노 레터스(Nano Letters)>의 표지 논문으로 게재되었다.

다이오드는 반도체 소자의 한 종류로, 한쪽으로만 전류를 흐르게 할 수 있어 정보 수송에 이용된다. 기존의 다이오드는 전자의 이동 방향을 제어하는 방식을 사용했으나, 최근에는 빛을 활용한 광자 다이오드를 개발하려는 연구가 활발히 이뤄졌다. 빛은 전자보다 훨씬 빠르고, 산란이 적어 정보 손실이 적기 때문이다.

하지만 기존의 광자 다이오드는 크기가 커서 많은 소자를 결합해야 하는 집적 회로에 적용하기 힘들었다. 또한, 입사광의 편광 방향과 입사 각도를 섬세하게 조절해야 해 쓸 수 있는 환경이 제한적이었다.

조용훈 교수팀은 먼저 크기가 매우 작은 질화물계 반도체를 지름이 수백 나노미터, 길이가 수 마이크로미터 정도인 작은 막대로 만들어 다이오드로 사용했다. 그다음에는 다이오드에 함유된 인듐(In)의 함유량과 양자 우물의 두께를 연속적으로 변화시켜 빛이 특정 방향으로만 이동할 수 있도록 만들었다. 그러면 빛이 한쪽으로만 이동하면서도 입사광이 갖춰야 할 조건이 까다롭지 않아 효과적인 활용이 가능하다.

이번 연구는 새로운 개념을 적용해 광자 다이오드가 상용될 수 있도록 발전시켰다는 것에 의의가 있다. 조용훈 교수는 “이제 집적 회로에서 전자 대신 광자를 활용해 정보의 전달 속도가 빛의 속도에 근접할 정도로 빨라질 것이다”라고 말한 바 있다.

 

[전산학과] 암 연구에 특화된 검색 엔진 구축해

올해 전산학과에서는 암 연구에 특화된 검색 시스템을 개발했다. 박종철 교수팀이 개발한 온코서치(Onco Search)는 암과 유전자에 관한 다양한 정보를 제공한다.

암과 관련된 질병을 연구하려면 수천 개에 육박하는 유전자의 변화와 신호전달 체계 교란을 염두에 두어야 한다. 암이 생겼을 때 어떤 유전자가 변화하는지를 추적하면 암의 원인이나 해결책을 찾아내기 용이하기 때문이다. 이를 위해서는 암과 유전자에 관련된 효율적인 데이터베이스와 검색시스템이 필요한데, 지금까지는 이러한 시스 템이 마련되지 못했다. 학계의 연구 결과를 토대로 유전자와 암에 대한 정보를 모두 기록해야 하는데, 연구자들이 일일이 하기에는 양이 터무니없이 많았기 때문이다.

박 교수팀이 개발한 온코서치는 이미 연구가 완료되어 발표된 논문에서 유전자와 암에 관련된 정보를 자연언어처리를 통해 인식, 데이터베이스를 구축했다. 온코서치를 이용하면 300만 건에 달하는 암 관련 유전자 연구를 담고 있는 의학 데이터베이스 Medline에서 정보를 정확하고 빠르게 검색할 수 있다. 온코서치는 기존의 검색 시스템과 달리 유전자 발현량변화, 암진행상태변화, 유전자의 암 관련 역할을 문장 구조 분석 및 추론을 통해 파악해 종양형성유전자 및 종양억제유전자 등으로 분류해 이에 대한 정보까지 함께 제공한다.

이번 연구는 광주과학기술원 이현주 교수 연구실과 함께 수행되었으며 생물학 분야 학술지 핵산연구(Nucleic Acids Research) 올해 온라인판 7월호에 게재되었다.

 

[수리과학과] 슈뢰딩거 방정식 해결

수리과학과의 변재형 교수는 비선형 슈뢰딩거 방정식을 만족하는 정상파 해를 구해냈다. 이에 관한 논문은 <미국 수학회 메므와즈(Memoirs of the American Mathematical Society)> 5월호에 게재되었다.

변 교수은 비선형 슈뢰딩거 방정식의 해 중에서 파동 함수가 정상파인 해를 구하는 방법을 연구했다. 정상파는 물리적으로 매우 특수한 파동으로, 시간이 변하더라도 위치가 거의 변하지 않는다.

슈뢰딩거 방정식은 양자역학뿐만 아니라 광학 등 다른 분야 에서도 쓰이는 유용한 식이지만, 그 형태가 복잡해 해를 구하기 어렵다. 특히 입자의 퍼텐셜 에너지가 최소가 아니면 물리적으로 불안정해 해를 찾기가 더욱 힘들었다. 입자가 물리적으로 안정한 상태면 방정식의 해를 구하는 전략을 쉽게 세울 수 있지만, 불안정한 상태면 안정한 상태를 인위적으로 설정해야 하기 때문이다.

일반적으로 입자가 안정한 지점은 퍼텐셜 에너지가 안정한 지점, 즉 퍼텐셜 에너지가 최소인 지점이다. 그와 달리 퍼텐셜 에너지가 최소가 아닌 지점에 있는 입자는 물리적으로 불안정하다. 이때 퍼텐셜 에너지가 최소가 아니지만, 극점인 극대점이나 안장점 주위에는 극대점이 여러 개인 파동 함수가 존재해 입자가 여러 개 모여있을 수 있다. 이 경우 축소법(reduction method)을 사용해 파동 함수가 존재할 수 있는 집합의 차원을 줄여서 해를 구할 수 있다는 것도 알려졌었다. 하지만 축소법은 방정식의 비선형 항이 특정 조건을 만족할 때만 쓸 수 있어 일반적일 때의 해를 구하지는 못했다.

변 교수팀은 비선형 슈뢰딩거 방정식에서 정상파인 파동 함수를 갖는 해를 찾는 일반적인 방법을 개발했다. 무한 차원의 공간에서 함수의 극대점, 극소점, 안장점을 찾는 방법인 변분법과 유사한 새로운 접근 방법을 제시한 것이다. 변 교수팀은 입자가 가지고 있는 에너지의 크기를 줄이는 연산자를 고안해 근사 해의 집합을 찾아 변분법을 이용했다.

이번 연구는 변분법적인 방법으로 그동안 해결할 수 없었던 비선형 슈뢰딩거 방정식을 풀어냈다는 것에 의의가 있다. 특히 이 문제를 해결하는 데 변분법적인 방법을 활용한 것은 변 교수팀이 처음으로, 새로운 방법을 도입해 문제를 푼 것도 큰 의미를 가진다. 앞으로 관련 분야에서 새롭게 도입된 방법이 활용되어 도움을 줄 것으로 보인다.

 

[신소재공학과] 유연한 압전나노발전기를 이용한 반영구적인 인공심장박동기 제작해

▲ 이건재 교수 제공

우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀과 연세대학교 세브란스 병원 정보영 교수팀이 공동으로 압전나노발전기에서 자체적으로 생성되는 전기 에너지를 이용해 반영구적으로 작동할 수 있는 인공심장박동기 실험을 세계 최초로 성공했다. 이 연구는 7월 23일자 <어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)>에 표지 논문으로 게재되었다.

인공심장박동기는 심장 박동이 불규칙한 환자에게 이식되어 심장 박동에 문제가 있을 때 심장이 규칙적으로 뛸 수 있도록 전기 자극을 주는 장치다. 하지만 이런 인공심장박동기에 사용되는 배터리 수명의 한계가 있기 때문에 기기를 교체하는 수술이 필요하다. 기기를 교체하는 과정에서 위험한 상황이 발생하기도 하고, 수술 비용 또한 추가로 들기 때문에 배터리를 교체할 필요가 없는 반영구적인 인공심장박동기가 필요했다.

연구팀은 물리적인 힘이 가해졌을 때 전기를 만들어내는 물질인 압전 물질을 이용해 인공심장박동기를 만들었다. 연구팀은 압전 물질을 박막으로 만들어 넓게 폈고, 이를 유연하게 만들어 작은 크기의 발전기로 만들었다. 이렇게 만들어진 압전 박막을 이용해 배터리 교체가 필요 없는 인공심장박동기를 구현했다.

현재까지 가장 높은 효율을 보이는 압전 물질은 PMN-PT다. 연구팀은 PMN-PT가 규칙적으로 배열된 수 마이크로미터 두께의 단결정 PMN-PT을 박막으로 제작했고, 딱딱한 기판에서 벗겨냈다. 이를 플라스틱 필름에 붙여서 유연하게 구부러지는 압전나노발전기를 제작했다.

이렇게 만든 유연한 압전나노발전기를 반복적으로 구부렸을 때 최고 8.2V의 전압과 145μA의 전류가 출력되었다. 또, 손가락를 이용해 가볍게 쳤을 때 최고 0.22mA의 전류가 출력되었는데, 이는 현존하는 것 중 최댓값이다. 다이오드를 이용해 교류로 출력된 전류를 정류한 결과 8V의 전압과 100μA의 전류가 출력되었다. 연구팀이 개발한 유연한 압전나노발전기를 이용해 쥐의 심장을 직접 자극했을 때 심장 박동을 규칙적으로 만들 수 있음을 세계 최초로 확인했다. 이는 이 발전기를 인간에게 적용하는 것도 가능하다는 점을 시사한다. 


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