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2016년, KAIST를 빛낸 연구 성과(2)
산업디자인학과, 기계공학과, 원자력및양자공학과, 전기및전자공학부, 건설및환경공학과
[428호] 2016년 11월 22일 (화) 심혜린, 곽대현, 임성민, 김승후 기자 shrin11@kaist.ac.kr

[산업디자인학과]
산업디자인학과 석 다니엘 교수 연구팀은 사용자의 신체를 이용해 맞춤형 가구를 디자인할 수 있는 가상현실(VR) 플랫폼을 개발했다. 이번 연구는 <NordiCHi 2016> 콘퍼런스에 소개되었다.
최근 디지털 제작(digital fabrication)을 이용한 티셔츠 제작 등 개인 맞춤형 제작 기술이 주목받고 있다. 하지만 지금까지 디지털 제작을 위한 인터페이스는 대부분 3D 모델링에 집중되어 있다. 연구팀은 디자인을 개인화하는 과정에서 사용자가 물건을 어떻게 사용하며 이 물건들이 사용자의 몸에 어떻게 들어맞는지에 대해서는 제작자가 크게 주목하지 않는다고 느꼈다. 이에 연구팀은 사람의 자세와 동작을 이용해 가구를 디자인하는, 보다 사용자에 집중한 <BodyMeter>라는 기술을 소개했다.
<BodyMeter>는 사용자의 동작과 간단한 음성 명령으로 가구를 디자인할 수 있는 플랫폼이다. 기존의 동작 인식이 손을 이용한 간단한 동작에 한정되어 있었다면, <BodyMeter>는 사용자의 온몸을 측정 도구로 사용한다. 예를 들어 사용자가 HMD(Head Mounted Display)를 착용하고 팔을 벌려 길이나 너비 등을 표현하면 카메라가 이를 인식해, 눈앞에 완성된 가구의 형태를 보여준다. 사용자는 앉거나 설 수도 있고, 돌아다니면서 가구의 세세한 부분을 자신의 신체에 맞게 조정할 수 있다.
이번 연구는 사용자의 온몸을 이용해 개개인의 신체에 최적화된 물건을 모델링해볼 수 있는 도구를 제공했다는 점에서 큰 의의를 가진다. 석 다니엘 교수는 “자신의 주변 환경까지 볼 수 있는 증강현실(AR) 기기를 이용해 이 기술을 구현한다면 사용자의 신체와 환경 모두에 적합한 가구를 디자인할 수 있을 것이다”라며 전망을 밝혔다.
 

[기계공학과]
기계공학과 성형진 교수 연구팀이 음향 영동으로 액적을 쪼개고, 동시에 액적 안에 있는 입자를 분리해낼 수 있음을 보였다. 이번 연구는 <랩온어칩(Lab on a Chip)>의 지난 7월 8일 온라인판에 게재되었다.
최근 생화학 실험에서 사용하는 시료는 가격이 비싸 거시적 규모의 생화학 실험은 거의 불가능하다. 대신 실험 조건을 일정하게 조절할 수 있고, 단기간에 여러 조건에서 실험을 수행할 수 있는 미세유체역학 기반 실험이 관심을 끌고 있다. 이 실험에서는 주로 액적(液滴)을 사용하는데, 같은 양의 시료로 실험 횟수를 높이려면 작은 액적을 최대한 많이 만들어야 한다. 하지만 기존에는 작은 액적의 대량 생산 및 액적 내 미세입자 위치 제어 기술이 없었다.
연구팀은 초음파를 이용해 액적을 쪼개는 기술을 개발했다. 폐관 안에 있는 액적이 이동하는 도중에 입자의 이동과 반대 방향으로 초음파를 가해 액적을 칼로 자르듯이 쪼개는 원리다. 또한, 연구팀은 액적 안의 입자들을 분리하는 데 성공했다. 액적 안에는 액적의 움직임에 따라 같이 움직이는 미세입자가 많다. 또한, 액적은 높은 압력을 가진 폐관의 한 쪽 끝에서 압력이 낮은 다른 한쪽 끝으로 움직인다. 이때 유체의 압력이 초음파의 압력보다 강해 액적은 초음파를 통과해 지나갈 수 있지만, 혼자 움직일 수 없는 미세입자들은 초음파를 통과하지 못하고 남겨진다. 연구팀은 이 현상에 주목해 액적과 미세입자를 분리하는 데 성공했다.
이번 연구는 초음파의 주파수를 조절해 쪼개지는 액적의 크기를 제어할 수 있다는 장점이 있으며, 비싼 시료를 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 액적에서 유체와 입자를 분리해낼 수 있다는 의의가 있다. 한편 연구팀은 후속 연구로 액적 내 크기가 다른 미세입자들을 선택적으로 분리하는 연구를 수행하고 있다.

[원자력및양자공학과]
원자력및양자공학과 김용희, 정용훈, 이정익 교수 연구팀이 초임계 이산화 탄소를 이용한 소형 모듈식 원자로(micro-modular nuclear reactor) 개발에 성공했다. 이는 지난 4월 17일 <ICAPP(Inter-national Congress on Advances in Nuclear Power Plants)>에 개제되었다.
원자력 발전에서는 주로 뜨거운 증기로 터빈을 돌려 전력을 생산하는 증기 터빈(stream tur-bine) 방식을 사용한다. 하지만 이 방식은 터빈과 열기관의 크기가 굉장히 크다. 이를 해결하기 위해, 기존에 사용하던 유체 대신 초임계 상태의 이산화 탄소를 이용해 전력을 생산하는 연구가 진행되고 있다.
초임계 이산화 탄소를 이용한 발전과 냉각을 위해, GFR(Gas-cooled Fast Reactor)이라는 시스템이 사용된다. 하지만 기존의 GFR시스템은 기존의 다른 원자력 발전소와 마찬가지로 크기가 매우 크다. 이번 연구를 통해 연구팀은 GFR 기반 발전소를 운송할 수 있는 크기로 소형화했다.
연구팀은 핵연료 제작에 높은 운동 에너지의 고속 중성자를 이용했다. 이렇게 만들어진 발전소에서는 지속적으로 핵연료를 공급하지 않아도 20년 이상 발전이 가능하다. 또한, 연구팀이 개발한 발전 시스템은 크기가 작을 뿐만 아니라 터빈, 환열기(recuperator), 냉각기, 압축기의 단순한 구조로, 무게 또한 기존의 발전 시스템에 비해 가볍다. 따라서 운송이 더욱 쉽다.
이번 연구는 크기가 작고, 연료 공급이 필요 없으면서 냉각에 물을 사용하지 않는 원자력 발전소를 개발했다는 것이 가장 큰 의의다. 이 시스템을 이용하면 사막이나 시베리아 같은 오지에도 발전소를 운송하여 충분한 양의 전기를 만들 수 있다.

[전기및전자공학부]
전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 산소와 수분에 대한 저항성이 강한 웨어러블 디스플레이 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난 16일 <어드밴스드 일렉트릭 머티리얼스(Advanced Electronic Materials)>에 게재되었다.
사람이 입는 옷에 디스플레이를 적용하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 한 가지는 직물 위에 디스플레이를 직접 올리는 방법이고, 한 가지는 디스플레이 소자로 만든 실을 이용해 옷을 만드는 것이다. 하지만 옷 위에 직접 디스플레이를 올리는 방식은 수분 또는 산소에 대한 저항력이 낮아 세탁 또는 일상 오염에 취약하다는 단점이 있었다. 이는 웨어러블 디스플레이의 신뢰성과도 직결되는 문제다. 연구팀은 나노 기술을 이용해 이 문제를 해결했다.
최 교수 연구팀은 OLED 디스플레이 소자를 옷감 위에 올리면서 여러 층의 얇은 박막을 소자에 입혔다. 이에 따라 디스플레이 소자가 외부에서 침투하는 산소나 수분에 잘 견뎌 웨어러블 디스플레이의 안정성을 높일 수 있었다. 결과적으로 동작 수명 1,000시간 이상, 유휴 수명 3,500시간 이상의 직물 OLED를 구현했다. 또한, 직물 위에 디스플레이를 구현해 동일 두께의 플라스틱보다 유연하며 내구성이 뛰어나다.
이번 연구는 웨어러블 디스플레이의 신뢰성 제고를 위한 핵심 기술로, 상용화의 가능성을 보였다는 점에서 의의가 있다. 최 교수는 “이 기술은 미래 IoT 시대에 옷을 플랫폼으로 하는 정보전달뿐만 아니라 새로운 패션 디스플레이의 가능성을 제시한 기술이 될 것이다”라고 전망을 밝혔다.

[건설및환경공학과]
건설및환경공학과 이행기 교수가 이산화 탄소를 시멘트 콘크리트의 제작 과정에 활용해 콘크리트의 강도와 내구성을 높이고 이산화 탄소를 격리할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구의 결과는 지난 4월 1일 <시멘트 앤 콘크리트 리서치(Cement and Concrete Research)>에 게재됐다.
콘크리트의 주재료인 시멘트는 1t을 생성할 때 이산화 탄소가 800kg ~ 1t이 배출된다. 따라서 이를 해결하기 위해 콘크리트를 제조하는 데 사용되는 시멘트의 양을 줄이는 연구가 진행되었다. 이 교수 연구팀은 콘크리트를 일정한 온도에서 굳히는 양생 과정에서 이산화 탄소를 사용해 이 문제를 획기적으로 개선했다.
연구팀은 시멘트를 구성하는 화합물 중 하나인 벨라이트(belite)를 활용했다. 반응성이 낮은 벨라이트를 이산화 탄소와 반응시키면 탄산화 반응이 일어나 이산화 탄소를 흡수한다. 연구팀은 이를 이용해 기존의 시멘트에서 벨라이트의 구성비를 높여, 사용한 시멘트 무게 대비 16.9%의 이산화 탄소를 콘크리트 내부에 화학적으로 안정하게 격리시킬 수 있음을 실험적으로 규명했다. 또한, 탄산화 과정에서 콘크리트의 미세구조가 치밀해지고 그 결과 강도 및 내구성이 증진된다는 효과를 보였다.
이번 연구는 콘크리트의 양생 과정에서 높은 농도의 이산화 탄소를 공급해 이를 시멘트 수화물 안에 격리시킬 수 있다는 것을 보였다는 의의를 가진다. 이 교수는 “화력발전소, 시멘트 공장 등에서 나오는 많은 양의 이산화 탄소를 포집해 콘크리트에 격리한다면 이산화 탄소 배출을 저감하는 데 큰 도움이 될 것이다”라는 전망을 밝혔다.

 

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