세종투데이 주요단신 주요단신 세종한국어문화교육센터, 2024-2학기 TOPIK Class & 세종 대학 한국어 Class 운영 2024-09-06 hit 75 세종한국어문화교육센터, 2024-2학기 TOPIK Class & 세종 대학 한국어 Class 운영     ▲TOPIK Class 수강생 모집 포스터       ▲세종 대학 한국어 Class 수강생 모집 포스터   세종한국어문화교육센터가 9월부터 외국인 유학생을 대상으로 2024-2학기 TOPIK Class와 세종 대학 한국어 Class를 운영한다.   TOPIK Class는 9월 23일에 시작하며 토픽1 시험대비반과 토픽2 시험대비반과 토픽1, 2 동영상반으로 나뉘어 진행된다. 토픽1 시험대비반은 매주 토요일에, 토픽2 시험대비반은 매주 월요일과 수요일에 대면 및 비대면으로 운영되며 모두 5주 과정이다. 토픽1, 2 동영상 반도 같은 기간 동안 운영된다. 세종 대학 한국어 Class도 9월 23일에 시작하며 세종 대학 한국어 1급~6급 반과 한국드라마로 배우는 한국어 말하기 반으로 나뉘어 진행된다. 세종 대학 한국어 1급~6급반은 10주 과정의 주 2회 반과 토요일 반으로 운영되며 한국드라마로 배우는 한국어 말하기 반은 주 2회 5주 과정이다.   TOPIK Class는 10월 4일까지, 세종 대학 한국어 Class는 9월 18일까지 포스터에 있는 QR코드로 신청하면 된다.   세종한국어문화교육센터는 “학기를 거듭할수록 수강생의 참여가 늘면서 강의가 더욱 활기를 띠고 있다. 이번 프로그램은 토픽을 대비한 세분화된 토픽 문항 풀이와 노하우는 물론 유학 생활에 기본이 되는 한국어를 배울 수 있도록 구성했다”라며 “이번에 신설된 <한국드라마로 배우는 한국어 말하기>는 한국 드라마 속에 자주 등장하지만, 수업에서는 쉽게 배울 수 없었던 표현을 배울 수 있다. 유학생들의 한국어 실력 능력 향상에 많은 도움이 되길 바라며 적극적인 관심을 부탁드린다”라고 말했다. . 자세한 내용은 세종한국어문화교육센터(02-3408-2994)로 문의하면 된다.      취재/ 김효림 홍보기자(bbaangkkj2@naver.com) 다음글 세종대, ‘지진방재분야 전문인력양성사업’ 4회 연속 선정 이전글 교수학습개발센터, 2024학년도 2학기 3차 학습법 특강 ‘스마트한 PPT 발표 전략’ 진행 목록

세종투데이 주요단신 주요단신 교수학습개발센터, 2024학년도 2학기 3차 학습법 특강 ‘스마트한 PPT 발표 전략’ 진행 2024-09-06 hit 111 교수학습개발센터, 2024학년도 2학기 3차 학습법 특강 ‘스마트한 PPT 발표 전략’ 진행 ▲2024-2학기 3차 학습법 특강 ‘스마트한 PPT 발표 전략’ 포스터 교수학습개발센터는 2024학년도 2학기 3차 학습법 특강을 오는 9월 24일 진행한다. 학습법 특강은 재학생들이 성공적인 대학 생활을 계획하고 효과적인 학습 전략을 개발할 수 있도록 매 학기 전문가를 초청해 다양한 주제의 학습법을 전달하는 프로그램이다.  이번 특강은 ‘스마트한 PPT 발표 전략’이라는 주제로 「생존액셀」의 저자이자 더피처피티 대표인 이광희 강사가 강연을 맡는다. 특강은 9월 24일 광개토관 109호에서 오후 2시부터 4시까지 두 시간 동안 진행된다. 세종대 재학생이라면 누구나 신청할 수 있으며, 신청은 두드림 홈페이지(do.sejong.ac.kr)에서 9월 22일 자정까지 받는다. 특강에 참여한 학생들은 비교과 마일리지 50점을 받을 수 있다. 교수학습개발센터는 “참가 학생들에게 교재와 함께 음료를 제공할 예정이며, 프로그램의 만족도 조사를 통해 추후 특강 프로그램 진행에 반영할 예정”이라고 전했다. 자세한 사항은 교수학습개발센터(02-3408-1913) 또는 이메일(ctl@sejong.ac.kr)로 문의하면 된다.  취재/ 강은지 홍보기자(keej1758@naver.com) 다음글 세종한국어문화교육센터, 2024-2학기 TOPIK Class & 세종 대학 한국어 Class 운영 이전글 비교과통합지원센터, 2024 비교과 마일리지 진행 목록

세종투데이 주요단신 주요단신 비교과통합지원센터, 2024 비교과 마일리지 진행 2024-09-09 hit 36 비교과통합지원센터, 2024 비교과 마일리지 진행 ▲비교과 마일리지 안내 포스터 비교과통합지원센터는 매년 비교과 마일리지를 산정해서 장학금을 지급한다. 비교과 마일리지란 비교과통합관리시스템인 두드림에서 다양한 프로그램에 참여하면 부여되는 점수이다. 프로그램 참여 후 만족도 설문 참여 시 추가 마일리지가 5점 지급된다. 비교과 마일리지는 2024년 1월 1일부터 12월 31일까지 집계한다. 누적 마일리지가 높은 순서대로 지급되며, 장학금액은 총 1억 원에 달한다. 장학금은 2024년도 2학기 정규학기 재학생에게 주어진다. 직전학기 학사경고를 받았거나 교내 장학규정에 의거해 장학금 수여가 불가능한 경우는 제외된다. 비교과 프로그램들은 세종대학교 두드림(https://do.sejong.ac.kr/)을 통해서 확인할 수 있다. 취재/ 윤서영 홍보기자(paimsg93@naver.com) 다음글 교수학습개발센터, 2024학년도 2학기 3차 학습법 특강 ‘스마트한 PPT 발표 전략’ 진행 이전글 인문과학대학, 제1회 경시대회 개최 목록

세종투데이 주요단신 주요단신 세종챔버앙상블, 2024 제15회 부산마루국제음악제 진행 2024-09-09 hit 156 ▲2024 제15회 부산마루국제음악제 포스터 세종챔버앙상블이 오는 9월 12일 오후 7시 30분에 부산시민회관 대극장에서 2024 제15회 부산마루국제음악제를 진행한다.  이번 음악제는 세종챔버앙상블 소속 현악 연주자 9명과 세종M아카데미(대표 이기정) 소속 피아니스트 35명이 함께하는 옴니버스 콘서트이다. 세종챔버앙상블은 세종대 음악과 윤경희 교수와 이기정 교수가 이끄는 앙상블이다. 부산마루국제음악제는 부산광역시가 주최하고 부산은행, 부산문화재단, 부산일보사, KBS부산방송총국, 부산MBC가 후원하는 국제적인 음악 페스티벌로 해양도시 부산에서 음악을 매개로 공동체 의식을 키우고 부산의 정체성을 세우고자 기획된 행사이다. 세종챔버앙상블과 세종M아카데미는 이번 공연에서 ▲비발디의 사계 ▲히사이시 조의 하울의 움직이는 성 ▲센과 치히로의 행방불명 ▲피아졸라의 사계 ▲생상의 죽음의 무도 ▲베토벤의 운명 교향곡 등을 10명의 현악 앙상블, 36명의 피아니스트, 퍼커셔니스트, 샌드아티스트와 함께한다.    음악과 윤경희, 이기정 교수는 “한국과 부산을 대표하는 국제 행사인 부산마루국제음악제에 초대받아 연주하게 돼 무척 자랑스럽다. 세종대 음악과 현악동문들로 구성된 세종챔버앙상블과 피아노 동문들로 구성된 세종M아카데미 두 단체가 콜라보로 공연하게 돼 더욱 의미 있고 즐거운 여정이 되리라 기대한다” 라고 말했다.  취재/ 김효림 홍보기자(bbaangkkj2@naver.com) 다음글 인문과학대학, 제1회 경시대회 개최 이전글 [포토뉴스] 건축학과 제27회 졸업 전시회 & 과제전 ‘두 눈으로 보기’ 현장을 가다 목록

세종투데이 주요단신 주요단신 인문과학대학, 제1회 경시대회 개최 2024-09-09 hit 77 ▲‘기술 발전 시대에 순수학문이 필요한 이유’ 포스터 ▲‘넌 릴스를 왜 봐? :짧은 영상의한다. 인문과학대학 제36대 학생회 INTO는 제1회 경시대회를 개최한다. 이번 경시대회는 ‘기술 발전 시대에 순수학문이 필요한 이유’와 ‘짧은 영상의 비밀’이라는 두 가지 주제로 진행된다. 둘 중 하나를 선택하거나 두 가지 모두 신청할 수 있다. 신청 기간은 9월 2일부터 10월 4일까지이다. 구글폼을 통해 신청하고 sejong_humanities@naver.com로 제안서를 제출하면 된다. 예선 결과는 10월 19일부터 20일까지 문자를 통해 발표되며, 본선과 관련된 자세한 일정과 장소는 추후 공지할 예정이다. 예선에 제출하는 제안서는 분량 제한이 없으며, 본선 진출 후에는 발표 15분에서 20분으로 분량이 제한된다. 예선과 본선 모두 PPT, 기획서, 영상 등 자유로운 형식으로 자료를 제출할 수 있다. 세종대 재학생이라면 누구나 참여할 수 있으며, 1인부터 4인 이하로 한 팀을 구성하면 된다. 수상자에게는 대상 50만 원, 최우수상 20만 원, 우수상 10만 원의 장학금이 지급된다.  전봉석(역사학과·20) 부학생회장은 ”이번 경시대회가 학우들의 다양한 아이디어를 자유롭게 나눌 수 있는 즐거운 학문의 장이 되기를 바란다“라고 말했다. 취재/ 강은지 홍보기자(keej1758@naver.com) 다음글 비교과통합지원센터, 2024 비교과 마일리지 진행 이전글 세종챔버앙상블, 2024 제15회 부산마루국제음악제 진행 목록

세종투데이 주요단신 주요단신 [포토뉴스] 건축학과 제27회 졸업 전시회 & 과제전 ‘두 눈으로 보기’ 현장을 가다 2024-09-10 hit 168 ▲전시장 입구에 마련된 포토존 ▲‘두 눈으로 보기’ 전시 내부 ▲김예은, 배성윤 학생의 작품을 감상하고 있는 관람객들 ▲조원희, 최준호 학생의 작품 ▲박관우, 변지수 학생의 작품 ▲포토존에 마련된 방명록을 작성하고 있는 학생들 ▲전시회를 즐기고 있는 관람객들 ▲박현진, 송유빈 학생의 작품 ▲김은선, 이시형 학생의 작품 ▲전시회를 찾은 관람객들 건축학과는 지난 9월 2일부터 9월 9일까지 광개토관 지하 1층 세종아트갤러리에서 제27회 졸업 전시회, 과제전 ‘두 눈으로 보기’를 개최했다. 120여 명의 건축학과 학생들이 참여한 이번 전시회는 5년 동안의 긴 여정을 마치고 새로운 시작을 앞둔 졸업자들의 개성과 창의성을 담은 특별한 마무리의 장이다. 취재/ 최수연 홍보기자(soo6717@naver.com) 다음글 세종챔버앙상블, 2024 제15회 부산마루국제음악제 진행 이전글 학술정보원, 학과별 학습정보 영문 가이드 제작 목록

세종투데이 주요단신 주요단신 학술정보원, 학과별 학습정보 영문 가이드 제작 2024-09-12 hit 50 ▲학술정보원 전경사진 학술정보원이 학과별 학습정보 서비스의 영문 가이드를 제작해 공개했다. 학과별 학습정보 서비스는 연구학습지원 서비스의 일환으로 단행본, 저널, DB, 학위 논문, 공개 강의, 학회 및 관련 기관 정보 등 학습 및 연구를 시작하는 학내 구성원들에게 유용한 학술 정보를 학과별로 모아서 제공하는 서비스이다. 이번에 새로 공개된 학과별 학습정보 서비스의 영문 가이드는 최근 학술정보원 이용 비율이 급격히 증가한 외국인 학생들을 위해 제작됐다. 학과별 학습정보 서비스의 영문 가이드는 세종대학교 학술정보원 연구학습지원 서비스 홈페이지(https://sejong-kr.libguides.com/)에서 확인할 수 있다. 학술정보원 정보운영과는 “학술정보원은 앞으로도 외국인 학생을 비롯한 학내 구성원들이 학술정보를 더욱 편리하고 유용하게 이용할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다. 취재/ 홍가연 홍보기자(gyhong1211@naver.com)        다음글 [포토뉴스] 건축학과 제27회 졸업 전시회 & 과제전 ‘두 눈으로 보기’ 현장을 가다 이전글 무용과 장선희 교수 ‘장선희 발레단‘, ‘러브스토리: Love Stories in Ballet’ 공연 개최 목록

세종투데이 주요단신 주요단신 무용과 장선희 교수 ‘장선희 발레단‘, ‘러브스토리: Love Stories in Ballet’ 공연 개최 2024-09-13 hit 35 ▲‘러브스토리: Love Stories in Ballet’ 공연 포스터 무용과 장선희 교수가 이끄는 장선희 발레단이 오는 9월 14일과 15일 양일간 서울특별시 국립극장 해오름극장에서 특별기획공연 ‘러브스토리: Love Stories in Ballet’을 선보인다. 이 공연은 ‘클래식과 현대의 속 깊은 대화’, ‘고전과 현대의 만남’이라는 기획의도와 주제를 바탕으로 ‘백조의 호수’, ‘로미오와 줄리엣’, ‘라 바야데르’ 등의 고전 발레 명작을 새롭게 재해석한 7개의 에피소드로 구성된다. 이번 공연에는 유니버셜발레단 수석 무용수 강민우와 국립발레단 솔리스트 조연재 등 세종대 무용과 출신의 무용수들이 출연하며, 실험적 안무, 역동적 무대 디자인과 조명, 내레이션과 라이브 첼로가 어우려진 무대를 펼칠 예정이다. 2018년에 초연된 ‘러브스토리’는 한국문화예술회관연합회가 주최하고 문화체육관광부와 한국문화예술위원회가 후원하는 <방방곡곡 문화공감> 사업에 2년 연속 선정된 작품으로 작품성 및 대중성을 인정받아 성황리에 공연을 이어 왔다. 한편, 창단 30주년을 맞이하는 장선희 발레단은 클래식과 컨템포러리를 넘나드는 다양한 창작 레퍼토리로 한국 창작 발레의 역사와 함께해 왔다. ‘발레의 명품화, 발레의 대중화’에 기여한다‘라는 비전을 가지고 한국 현대 발레 활성화를 위해 노력하고 있으며, 미래 세대를 발굴해 교육하는 동시에 발레의 대중화를 위해 명품이라 불릴 만한 좋은 작품으로 관객을 만나야 한다는 목표를 가지고 활약하고 있다. 공연 예매는 국립극장 전화(02-2280-4114) 혹은 홈페이지(www.ntok.go.kr)를 통해 가능하며, 공연 관련 문의는 카카오톡 채널 ‘장선희 발레단’과 전화(02-546-0977)로 하면 된다. 취재/최수연 홍보기자(soo6717@naver.com) 다음글 학술정보원, 학과별 학습정보 영문 가이드 제작 이전글 이전글이 없습니다. 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 기후변화 대응 벼 품종 개발과 활용 2022-08-08 hit 1505 기후변화 대응 벼 품종 개발과 활용 진중현 교수    세종대학교 스마트생명산업융합학과    jchin@sejong.ac.kr 1. 머리말  기후변화로 인하여 우리 미래는 크게 영향 받을 것인데, 사실 이미 우리는 기후변화를 여러가지 형태로 경험하고 있다. 북극의 얼음이 전부 녹았다더니, 열대야 현상(밤의 온도가 25도 이상 올라가는 현상)으로 잠을 뒤척이고, 세계적으로 산불이 자주 일어나고 있고, 봄가뭄이 심해서 식물생산에 큰 어려움을 겪는다더니 하는 뉴스를 쉽게 접할 수 있다. ‘기후변화’는 이제 매우 일상적인 용어이며, 우리 인류 자체의 보건과 생활 문제뿐만 아니라, 우리가 즐겨 먹고 있는 식품의 주원료를 생산하는 농축수산업에도 큰 영향을 미치게 될 것이다. 기후변화에 관한 보고서를 꾸준히 발표하고 있는 IPCC(기후변화에 관한 정부간 협의체)는 2040년에 지구의 온도는 1.5도가 올라갈 것이라고 하였는데, 이것은 5차 발표때보다 10년이나 당겨진 것으로, 기온 상승의 속도가 높아지고 있음을 의미한다. 우리나라의 기온 상승의 정도는 더 커서, ‘한국기후변화보고서 2020’에 따르면, 세계 평균보다 1.9~2.6배 정도 높다고 하였다. 사실, 평균기온 상승보다 더 큰 문제는 기후변동폭이 더 커지고 있다는 점이다. 겨울은 더 추워지고, 여름은 더 더워지며, 봄과 가을은 사라지고 있다. 특히 5월의 기온이 많이 상승하고 있으며, 이것은 봄가뭄의 주요한 이유가 되고 있다.    그림 1. 우리나라 기후변화 추세(연합뉴스, 2021.4.28일자 기사) 그림 2. 지구 표면의 기온 상승은 주로 산업발전에 의한 효과임이 밝혀졌다(IPCC 6차 보고자료 인용) 2. 기후변화와 농업, 6도가 상승한다면? 기후변화는 동식물 생산에 어떤 영향을 미칠까? 주요 식량작물로 벼를 생산하는 우리나라는 단기적으로는 기온상승에 따라 생산량이 증가할 것이라고 예측하곤 한다. 그러나, 우리나라 주요 식량작물은 여전히 쌀이지만(2021년 기준, 1인당 쌀 연간소비량은 56.9kg), 식생활이 다변화되고, 영양공급의 비중이 육류, 어류, 수입 곡류 등으로 옮겨 감에 따라, 벼를 기준으로 본 기후변화에 대한 식량 공급안정성은 장담하기 힘들다. 우리나라는 2019년 기준, 식량자급률이 21% 수준이다. 우리나라는 국토면적이 적고, 곡물생산을 담당할 농업인의 수가 급격하게 감소(2020년 기준, 230만명 내외, 전체 인구의 4.5% 수준에 불과)하였기 때문에, 기후변화 대응뿐만 아니라, 생산기술과 환경 부문의 혁신을 동시에 꾀해야 하는 이중부담을 지고 있다.   2100년까지 기온이 적어도 3도, 크게는 6도(우리가 아무것도 하지 않는 경우, RCP 8.5시나리오)가 상승한다면, 현재 우리가 재배하는 모든 작물은 꽃을 피우지 못하거나, 종자를 얻지 못할 것이다. 최근에 화분을 매개하는 벌의 수가 줄고 있다고 하는데, 이것 또한 기후변화의 영향을 지적하는 연구자들이 많다. 기온이 6도가 올라가는 세상은 사실 상상할 필요조차 없다. 그야말로, 시베리아에 야자수가 자라고, 열대지역은 모두 바다에 잠기고, 세상은 온통 상습적인 산불과 해일로 지상에서 살기 힘들 것이기 때문이다.  3. 기후변화로 식량이 부족해질까? 기후변화로 식량이 부족해질까? 결국 자명한 사실이다. 우선, 현재 재배품종과 재배지역에 의존한 시스템을 계속 유지하려고 하며, 우리의 소비 행동을 크게 바꾸지 않는다면 말이다. 2060년쯤이면, 우리 남한 전체가 아열대 기후가 될 것이라고 하는데, 기온 1도가 올라가면 벼 생산량이 15만톤이 감소하게 되는데, 2020년 기준 우리나라가 풍년이 들어 380만톤 정도 생산을 했다는 점을 감안하면, 4% 정도 감소하게 되는 것이다. 6도가 올라간다면, 30% 내외 감소하게 된다는 예측인데, 사실 꽃이 피는 시기에 고온이 오게 되면 종자가 전혀 생기지 않으므로, 이러한 감소 예측보다 훨씬 가혹한 결과를 얻게 될 것이다. 그러나, 기후변화에 따른 재배지역 재배치나 품종 개발을 진행하게 되면, 식량 감소는 약 7% 정도될 것으로 예상하고 있다. 기후변화 양상의 예측과 식량 생산 기술 연구가 얼마나 중요한지를 보여주는 결과다. 우리나라는 대부분의 식량을 수입하므로, 외국의 상황에 영향을 받지 않을 수 없다. 2021년에 코로나19로 시름하고 있는 세계에, 갑작스러운 위기가 생겨났다. 우크라이나-러시아 전쟁이 그것인데, 2021년 4월 보도에 따르면, 이미 스리랑카, 페루, 중동, 아프리카 여러 나라는 급상승하는 원유와 곡물 가격 때문에 정부가 무너지는 상황을 경험하고 있다. 민주주의와 자본주의가 발달한 선진경제 국가 중 하나인 우리나라는 상승하는 비용을 감당할 다양한 전략을 체계적으로 구사할 수 있으므로, 이와 같은 상황에 당장 어려움은 적겠으나, 이러한 상황이 2년 이상 진행되게 되면, 식량 생산 및 유통을 담당하는 저개발 국가의 상황이 악화되어 우리나라 식량작물 수입 및 공급에 큰 영향을 받지 않을 수 없다.  기후변화는 점진적인 양상이며, 인구, 자원, 지리적 위치 등과 함께 거의 확실하게 예측되는 정보인데, 우리나라가 식량을 주로 수입하는 국가로서, 세계적인 식량작물 생산 불안정성에 영향을 받지 않는다고 장담할 수 없는 상황이다.    그림 3. 100년간 한반도 기온 상승의 추이와 작물재배적지가 변화하는 양상(위)과 지난 50년간 한반도 강수량의 변화(아래)    그림 4. 재배지의 변경 없이 기후변화가 진행되었을 때, 벼 생산수량 예측(이충근 외, 국립식량과학원 보고서, 2013) 그림 5. 재배 방법 변경 계획을 수행한 후, 기후변화가 진행되었을 때, 벼 생산수량 예측(이충근 외, 국립식량과학원 보고서, 2013) 4. 기후변화에 강한 벼품종 개발 기후변화에 대응하는 재배지역을 재배치하는 방법도 있겠지만, 기후변화에 따른 다양한 환경변화에 적응하는 품종을 개발하는 것이 무엇보다 우선적이고 필수적이라고 볼 수 있다. 필리핀에 본부를 두고 있는 벼와 식량농업에 대한 세계 최고 권위의 국제기관인 국제벼연구소 (International Rice Research Institute)은 Bill and Melinda Gates Foundation(BMGF)와 미국, 독일, 유럽, 그리고 다국적기업의 지원을 받아, 기후변화 대응 연구에서 많은 성과를 내고 있다. 우리나라도 농촌진흥청이 함께 국제협력연구를 수행하여, ‘아세미’ 또는 ‘MS11’이라는 품종명을 가진 열대적응형 자포니카(우리나라 및 동북아시아에서 먹는 길이가 짧은 단립종 온대벼)를 개발하여 사업화 하는데 성공하였다.   국제벼연구소를 비롯한 중국, 인도, 일본, 우리나라 등에서도 기후변화에 대응하는 다양한 벼품종을 개발하고 있는데, 그중 현재까지 가장 성공적인 방법은 대표적인 환경스트레스를 경험하는 인도 동부와 방글라데시 지역에서 재배되는 Aus라고 하는 품종그룹을 활용하여, 침수(FR13A, 괄호 안은 품종명), 건조(Way Rarem, N22, Adday Sel 등), 고온(N22), 염피해(Pokkali, FL478 등), 비료부족(Kasalath) 등에 강한 형질을 발굴하여, 그것을 우수한 품종에 분자마커육종법을 활용하여 신품종을 개발하고 있다.     그림 6. 인도 동부와 방글라데시 지역 등은 불량토양과 각종 기상재해가 많아서, 환경스트레스 저항성을 함유한 벼자원이 풍부하다(Gamuyao et al. 2012, Nature) 그림 7. 인도네시아 대표 품종인 Ciherang에 침수에 강한 특성(Sub1), 물에 잠겨서도 발아하는 특성(AG1), 열대지역 유래 도열병저항성(Pi9)을 분자마커활용 여교배육종법(MABC)을 활용하여, 우리나라의 열대화와 간척지재배에 적합한 신품종을 개발하였다(Shin et al. 2022, Rice, 세종대학교 진중현 교수 연구실)  한편, 열대화에 따라 고온장해나 각종 환경스트레스를 회피하는 품종을 개발할 수 있는데, 충청남도농업기술원은 ‘빠르미’, ‘여르미’ 등을 개발하여, 70일만에 벼를 수확할 수 있어서 고온장해 등을 회피할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 식량증산을 위한 작물재배 조합을 개발할 수도 있다. 일본 작물과학연구소(NICS)는 야생종 벼인 Oryza officinalis(우리가 보통 먹는 쌀은 Oryza sativa임) 라는 식물에서 아침 일찍 꽃이 피는 벼를 개발하여, 고온을 회피하는 방법을 제안하기도 하였다.     그림 8. 기후변화 관련 환경스트레스에 강한 벼를 개발하기 위한 특성연구와 품종(아래 사진 전체)   그림 8-1. 침수에 강한 벼(Sub1) 출처: IRRI 그림 8-2. 가뭄에 강한 벼(DTY) 출처: IRRI 그림 8-3. 비료투입을 적게 요구하는 벼(Pup1) 출처: IRRI, 세종대 진중현 교수 그림 8-4. 아침에 꽃이 펴서 고온을 회피하는 벼(EMF) 사진: NICS, Japan 그림 8-5. 해수면 상승에 강한 벼(Saltol) 출처: IRRI 그림 8-6. 파종 후 70일 만에 수확이 가능한 벼, ‘빠르미’와 개발자 윤여태 박사(한국일보 2020.7.20)  세종대학교 스마트생명산업융합학과 진중현 교수팀은 농촌진흥청과 한국연구재단 지원으로, 열대적응자포니카 벼품종인 MS11에 건조, 염해, 비료투입에 강한 벼를 개발하여, 경기도농업기술원과 공동 품종등록, 기후변화에 강한 수출형 인디카벼(열대 및 아열대 지방에서 주로 재배되는 장립종벼)를 개발하여, 해남땅끝황토친환경영농법인 등 농업법인 등이 재배하여, 국내외 식량 공급에 도움이 될 수 있도록 노력하고 있다.  한편, 기후변화는 복합적인 양상을 보이는 동시에, 향후 식량생산을 위한 노동력이 부족하여, 첨단농기계를 활용한 직파농업이 필수적이며, 토지이용효율을 극대화하기 위하여, 식량생산 주산단지를 간척지 등으로 집중화, 대형화할 필요가 있다. 이런 환경에서 필요한 품종은 환경스트레스에 강한 형질을 모아서 개발할 필요가 있는데, 보통 ‘복합스트레스 저항성’이라고 하며, 이러한 품종을 다수 개발하기 위한 첨단 정밀육종기술 개발이 매우 필수적이다.    그림 9. 기후변화에 강한 품종은 가능한 시나리오에 적합하도록 관련 특성(형질)을 조합한 후, 실제 현장에서 평가해야만 한다. 비료이용효율과 침수, 가뭄 특성 등을 함께 고려하는 예시(Shin et al. 2021; Shin et al. 2020) 5. 온실가스 저감 농법에 맞는 벼품종 개발 세계적으로 기후변화를 유발하는 주요 요인으로 Paul Crutzen 박사가 온실가스를 지목하여 노벨화학상을 수상한 이래, 기후변화를 극복하기 위하여 온실가스인 이산화탄소, 메탄가스 등을 제거하는 것이 ‘탄소중립’의 가장 중요한 개념이라고 볼 수 있다(https://www.gihoo.or.kr/netzero/intro/intro0101.do). 우리나라는 작물생산을 하면서 가장 많은 온실가스를 배출하는 나라로서, 우리나라 총 메탄발생량 26.7TgCO2eqyr-1이라고 하면, 농업이 43.9%를 차지하며, 그 중 논이 51.2%, 즉, 6.0 TgCO2eqyr-1을 차지한다고 한다. 따라서, 메탄을 획기적으로 줄이는 농법을 개발하는 것은 필수적이며, 우리나라는 농촌진흥청 식량과학원을 중심으로 대학이 연합하여 이른바, ‘Green Rice Project’를 출범하였다(총연구기간 2022년 4월부터 약 5년간 진행).       그림 10. 1kg의 해당 식품을 생산하기 위하여 발생하는 온실가스 총량을 생산-소비까지 계산한 것. 소고기가 제일 크며, 벼는 거의 농장에서 3.6kg의 온실가스를 발생시킨다.  그림 11. 작물을 재배하면서 발생하는 총 온실가스의 발생량을 표현한 세계지도. 우리나라는 가장 붉은 색을 띠고 있는 나라 중 하나이다. (Carlson et al. 2017) 벼를 재배하면서 메탄을 발생시키는 인자로 고려해야 할 사항으로 토양 산화환원 전위, 토양유기물, 토양온도, 토양 산도 및 토성 등의 토양 자체의 특성도 있지만, 벼 생육 단계, 품종의 식물체 수준의 영향, 비료 및 농약의 농자재도 생각해야 한다. 한편, 다양한 토양메탄생성균의 생태를 연구하고, 이들이 온실가스를 덜 배출하도록 생태학적 조절을 하기 위한 환경 조절을 고려하는데, 역시 토양과 식물간의 관계를 더욱 심도있게 연구해야만 한다.  메탄을 저감시키기 위하여, 가급적 벼재배시 물을 가두어두는 시간을 늦추거나 마른 논에 벼를 직파하는 방법이 도움을 줄 수 있다. 한편 토양내 유기물, 수확후 유기물을 집중 관리하고, 경운을 최소경운 또는 무경운을 하는 것이 비교적 좋다고 알려졌다. 또한 비료투입을 적게 하여야만 하고 토양개량제를 투입하면 효과적일 수 있다.  벼 품종은 메탄저감에 다양한 역할을 할 수 있겠으나, 우선적으로 메탄저감 농법에 적합한 품종을 사용하는 것이 필수적이다. 따라서, 건조에 강하고, 직파농법에 적응하면서, 뿌리의 영양흡수력이 우수하고, 생육기간이 짧아야 한다. 보통 이런 품종들은 파종 이후 초기의 생장이 매우 우수해야 하며, 이에 따라 식물의 형태나 수량성, 군집 특성 등 많은 부분에서 차이가 날 것이다.  6. 결론 기후변화는 이제 아주 일상적인 단어가 되었다. 우리 대부분은 지구의 표면기온이 평균 3도 이상 상승할 것을 목격하게 될 것이다. 기후변화는 우리 생활 전반에 가장 큰 변수로 작동할 것인데, 지금까지 당연하게 생각했던 많은 것들이 더 이상 그렇지 않은 세상을 살게 될 것이다. 새로운 병원균의 발생에 따른 문제 또는 갑작스러운 재해의 발생 등이 훨씬 더 빈번해질 수 있다. 우리 인간 자체의 삶도 많은 변화를 요구하는 한편, 늘어나는 인구와 소비구조의 변화, 농업인구의 감소 등에 따른 식량 농업에도 큰 변화를 요구하고 있으며, 특히 벼에서는 메탄저감농법에 적합하고, 환경스트레스 저항성, 병해충 저항성 등이 강화된 새로운 품종을 개발하여 활용해야 한다. 식량자급률이 20% 수준에 불과한 우리나라로서는 세계 여러나라의 생산 및 수급에도 관심을 가져야 하며, 인류 공동의 노력으로 식량 부족 및 수급불균형 문제를 고려해야 한다. 그게 새롭게 국제 사회에 리더국가로 막 진입한 우리나라에게 요구되는 의무다.  참고문헌 Carlson K et al. (2017) Greenhouse gas emissions intensity of global croplands. Nature Clim Change 7, 63~68. https://doi.org/10.1038/nclimate3158 IPCC (2021) Masson-Delmotte, V.; Zhai, P.; Pirani, A.; Connors, S. L.; et al. (eds.). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press (In Press). Gamuyao et al. (2012) The protein kinase OsPSTOL1 from traditional rice confers tolerance of phosphorus deficiency. Nature. 488:535-539. Han et al. (2020) Genetic and phenotypic characterization of rice backcrossed inbred sister lines of saltol in temperate saline reclaimed area. Plant Breed Biotech. 8(1):58~68. Poore J and Nemecek T (2018) Reducing food’s environmental impacts through producers and consumers. Science. 360:987~992. Shin et al. (2020) Early vigor of a pyramiding line containing two quantitative loci, Phosphorus Uptake 1 (Pup1) and Anaerobic Germination 1 (AG1) in rice. Agriculture 10(10)  Shin et al. (2021) The Effect of Water Level in Rice Cropping System on Phosphorus Uptake Activity of Pup1 in a Pup1+ Sub1 Breeding Line, Plants 8: 1523. Shin et al. (2022) Development of a temperate climate-adapted indica multi-stress tolerant rice variety by pyramiding quantitative trait loci, Rice 15:22. 국립식량과학원 (2013). 기후변화에 따른 벼 수량 및 품질저하 원인 구명과 기후변화 적응기술 개발 농촌진흥청 작물시험연구사업 최종보고서. https://doi.org/10.23000/TRKO201300014018 권효숙, 최은정, 이선일, 이형석, 이종문, 강성수 (2022) 벼 재배 논토양에서 메탄의 생성 및 배출: 리뷰. Journal of Climate Research 13(1): 117~134. 진중현 (2015) 국제벼연구소의 고효율 분자육종 시스템 개발 동향. 한국국제농업개발학회지, 27(5): 551~563. 환경부 기후변화홍보포털. https://www.gihoo.or.kr/netzero/intro/intro0101.do 다음글 Brilliant Color Alloy의 개발과 기술동향 이전글 GWTC-2 데이터를 이용한 쌍 블랙홀의 기원 연구 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 GWTC-2 데이터를 이용한 쌍 블랙홀의 기원 연구 2022-11-02 hit 1301 GWTC-2 데이터를 이용한 쌍 블랙홀의 기원 연구 물리천문학과 Maurice van Putten 2017년 노벨 물리학상을 받은 LIGO의 쌍 블랙홀 (BBH)의 병합 사건, GW150914의 검출은 중성자별-중성자별 또는 중성자별-블랙홀의 병합와 같은 사건들로 가득 찬 우주의 새로운 창을 열었다. LIGO-Virgo 중력파 공동연구팀은 2021년, 40개 이상의 쌍 블랙홀 병합 사건들을 포함하는 새로운 중력파 검출 카탈로그 GWTC-2를 발표 하였다. 이는 쌍 블랙홀의 질량들과 후기 우주의 적색편이 분포 간의 상대적으로 강한 연관성을 포함한 몇몇 새로운 통계적 특징들을 드러내었다 (그림1-2). 그림 1. GWTC-2의 쌍 블랙홀의 주성 (M_1)과 동반성(M_2)의 질량 분포 (파란색 점)와 불확실성 (회색 +)을 나타낸다. 선형 피팅 결과(빨간색 실선)은 0.63의 기울기와 0.93 ± 0.06의 상관계수를 보여준다. 이러한 쌍 블랙홀들은 무거운 별 탄생의 잔재로 여겨진다. 1955년, Edwin E. Salpeter는 단일 별의 초기질량 함수를 도입 하였으며, 이를 Salpeter 지수, α_S = 2.35를 가지는 멱 법칙으로 기술하였다. 이는 놀랍도록 견고한 관계로 입증되어, 현재까지도 별 형성을 이해하는 데에 중요한 역할을 해오고 있다. ANU의 박혜진 박사과정생과 세종대의 김신정 석사후연구원, 김신나 석사후연구원과 Maurice H.P.M. van Putten 교수는 The Astrophysical Journal (천체물리학 저널)에 게재되는 논문에서, 쌍 블랙홀들의 기원이 되는 쌍성들의 평균 질량 μ의 멱 법칙 지수 (α_B^) 가 각각 최대 상관 질량, 비 상관 질량의 한계인 α_S≲α_B^≲2α_S 를 만족해야 함을 보여준다. 이 논문에서 GWTC-2 데이터는 쌍 블랙홀 병합의 평균질량 분포의 가장자리 (μ ≳ 31태양질량)에서 α_B≃2α_S의 멱 법칙 지수를 보인다. 이는 즉, 쌍 블랙홀의 기원이 되는 기원 항성들의 질량이 비 상관임을 보여준다. 또한, 그림 1에 나타난 쌍 블랙홀 질량 간의 다소 밀접한 상관관계는, 관측된 쌍 블랙홀들을 생성하는 두 개의 초신성의 폭발이 시작되기 전에, (쌍성 시스템을 유지한 채로) 두 항성이 비슷한 질량을 가지도록 상당한 질량 전달이 이루어 지는 쌍성 진화론을 시사한다. ΛCDM 현대우주론에서, 쌍 블랙홀들의 기원이 되는 쌍성 질량의 멱 법칙 지수 (α_B)는 우주론적 적색편이가 증가할수록 커진다. 하지만 GWTC-2의 관측에서 도출된 α_B≃2α_S 를 고려했을 때, 지수 α_B^ 는 α_B 보다 클 수 없다. 쌍 블랙홀들의 병합시간은 따라서 허블 타임 (139억년)보다 상대적으로 짧을 것이다. 즉, 기원이 되는 쌍성이 탄생했을 때의 적색편이 분포는 관측된 쌍 블랙홀들의 적색편이 분포 (그림 2)와 상대적으로 가까울 것이다. 특히, 이것은 쌍 블랙홀들의 기원이 되는 쌍성이 항성 종족 III 초기 우주 시대보다는 우주적으로 별 형성률이 절정이었던 시기 이후  (적색편이 z < 2), 즉, 상대적으로 최근인 후기 우주(최근 우주)에 태어났음을 시사한다. 그림 2. 적색편이 z와 쌍 블랙홀의 평균 질량 μ 분포 (초록색 동그라미). 질량분포의 꼬리 부분은 채워진 동그라미로 표시되어 있다. 꼬리 부분에서의 쌍 블랙홀의 평균 질량 (41.9태양질량)과 적색편이의 평균값 (0.51)을 1 평균 편차 (타원)과 함께 + 표시로 나타내었다.  2023년 3월에 계획된 LIGO-Virgo-KAGRA의 O4-5 관측은 더 확장된 쌍 블랙홀 병합의 관측 데이터를 제공함으로써 우리의 결론을 확고히 할 수 있을 것이다. 이러한 앞으로의 관측은 쌍 중성자별 병합과 그들의 병합 후 진화, 그리고 나아가 긴 감마선 폭발(long GRB)과 관련된 강력한 중심붕괴(core-collapse) 초신성 폭발을 포함한 지역우주(즉 가까운 우주)의 관측 자료를 제공할 것이다. 추가 읽기 자료 GWTC-2 카탈로그: https://www.ligo.org/science/Publication-O3aCatalog/index.php  Hye-Jin Park, Shin-Jeong Kim, Shinna Kim & Maurice H.P.M. van Putten, 2022, ApJ, https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac9300, 938, 69 ON THE PROGENITORS OF BBHs IN GWTC-2 The seminal LIGO detection of the binary black hole (BBH) merger event GW150914 - awarded the Nobel Prize of Physics in 2017 - opened a new window to the Universe, rife with similar events including mergers of neutron stars with another neutron star or black hole.  The updated gravitational-wave detection catalogue GWTC-2 of 2021 released by the gravitational-wave collaboration LIGO-Virgo contains more than 40 BBH mergers events revealing some novel statistical properties such as a relatively tight correlation between their binary masses and a redshift distribution in the late-time Universe (Figs. 1-2).                                 Figure 1. Overview of primary (M1) and secondary (M2) masses of BBHs in GWTC- 2. Grey crosses indicate uncertainties. A linear fit shows a slope 0.67 with a correlation coefficient r = 0.93 ± 0.06. These BBHs are believed to be remnants of massive star-formation. In 1955, Edwin E. Salpeter introduced the Initial Mass Function (IMF) of single stars, described by a power law with Saltpeter index of α_S=2.35. This relation has proven to be remarkably robust and continues to be a central theme in understanding star formation.  In a paper to appear in The Astrophysical Journal, PhD candidate Hye-Jin Park of ANU, recent graduates Shin-Jeong Kim, Shinna Kim and Professor Maurice H.P.M. van Putten of Sejong University show that the power law index of the mean mass μ of binary stellar progenitors of BBHs satisfies α_S≲α_B^≲2α_S in the limit of maximally correlated, respectively, uncorrelated masses. GWTC-2 shows a power law index of α_B ≃2α_S in the tail of μ ≳ 31M☉ the BBH mergers, indicating uncorrelated progenitor stellar masses. The rather tight correlation of BBH masses shown in Fig. 1 suggests a binary stellar evolution with considerable mass-transfer to relatively similar masses, before the onset of two supernovae producing the observed BBHs (without disrupting the binaries). On a ΛCDM cosmology, the power law index α_B of the progenitor stellar binary systems increases with cosmological redshift. Yet, the observed relation α_B≃2α_S effectively prohibits α_B>α_B. The merger time of BBHs is hereby limited to time-scales relatively short compared to a Hubble time, i.e., the redshift distribution of their stellar progenitors is relatively close to that of the BBH mergers observed (Fig. 2). This puts BBH progenitors in late-time cosmology, at relatively recent times past the peak in the cosmic star-formation rate (i.e., z < 2), rather than the early epoch of Pop III stars.                              Figure 2. Redshifts (circles) versus mean mass μ of the BBH with elements in the tail highlighted (filled). Mean values   of mean mass and redshift in the tail (+) is indicated with 1σ uncertainty (ellipse).  Upcoming LIGO-Virgo-KAGRA observational runs O4-5 planned for March 2023 may solidify our conclusions with an enlarged data-base of BBH mergers. These upcoming observations may provide a survey of the Local Universe including double neutron star mergers and their post-merger evolution, perhaps including energetic core-collapse supernovae associated with long gamma-ray bursts. Additional Reading GWTC-2 catalog: https://www.ligo.org/science/Publication-O3aCatalog/index.php Hye-Jin Park, Shin-Jeong Kim, Shinna Kim & Maurice H.P.M. van Putten, 2022, ApJ, 938, 69, https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac9300  다음글 기후변화 대응 벼 품종 개발과 활용 이전글 Modified gravity is boosted by a deeper analysis of galactic rotation curves 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 Modified gravity is boosted by a deeper analysis of galactic rotation curves 2022-12-26 hit 2328 Modified gravity is boosted by a deeper analysis of galactic rotation curves: modified inertia may be out, and dark matter is questioned once again Department of Phsics & Astronomy, Sejong University Prof. Kyu-Hyun Chae One of the mysteries of the universe is that Einstein’s general relativity, which is a relativistic theory of Newton’s universal law of gravity, requires large amount of dark matter in individual galaxies and in the vast space of the universe. Dark matter inferred by general relativity has never been identified in non-gravitational experiments. This opens up the possibility that gravity’s law may be subtly different from general relativity while keeping all its experimental successes (known generally as modified gravity) or Newton’s inertia is modified. Such a paradigm known as modified Newtonian dynamics, or MOND for short, was proposed by Mordehai Milgrom in 1983. Galactic rotation curves measured by hydrogen gas orbiting in galactic disks provide powerful testbeds in testing and distinguishing theoretical possibilities. The currently popular cosmological model with cold dark matter and Einstein’s cosmological constant Λ (widely referred to as ΛCDM) predicts the properties of dark matter halos embedding galaxies of stars and gas, so that galactic rotation curves can be predicted by Newtonian dynamics or general relativity. The drastically different MOND paradigm (either modified gravity or modified inertia) proposes to explain galactic rotation curves with only the observed mass distribution of stars and gas.  In disk galaxies where orbits of stars and gas are collectively forming disk geometries, modified gravity and modified inertia predict subtly different rotation velocities in the inner rising part of the rotation curve. This is because in modified gravity theories rotation velocities in the inner disk are slightly suppressed because of gravity perpendicular to the disk plane. Such a suppression causes the rotation curve on an acceleration plane to deviate from the MOND curve. According to kinematics, a rotation velocity V in a circular orbit of radius R means an observed centripetal acceleration g_obs=V²/R while Newton’s theory also predicts an acceleration g_bar at that radius for the observed baryonic mass distribution of stars and gas. These two accelerations define the acceleration plane (Figure 1). Because this effect is tiny, it is not feasible to distinguish between modified gravity and modified inertia with any single galaxy based on current data. However, combined signals from many galaxies may distinguish the two and further provide a distinction between MOND and ΛCDM. Figure 1 The inner and outer rotation curves of 152 SPARC galaxies are separately placed on an acceleration plane. There is a tiny, but clear difference between the inner part and the outer part in remarkable agreement with the prediction of the AQUAL theory of modified gravity. Kyu-Hyun Chae, an astrophysicist and professor at Sejong University (Seoul, South Korea), has just done such a test using 152 high-quality galactic rotation curves selected from the Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) database. The results recently published in the Astrophysical Journal show that rotation velocities of the inner disks do not statistically fall on the curve on the acceleration plane followed by rotation velocities of the outer disks. The significance is more than 5-sigma, the usually accepted rule for a discovery. Rather, the rotation velocities of the inner disks of SPARC galaxies fall right on the somewhat deviated curve numerically predicted by the AQUAL Lagrangian theory of modified gravity proposed by physicists Jacob Bekenstein and Mordehai Milgrom. It was not difficult for Chae to recognize the difference between the inner and outer rotation curves on the acceleration plane and a detailed statistical analysis indeed confirmed it. Chae recalls “When Milgrom and I obtained numerical solutions of AQUAL earlier this year, I became very curious about the robust prediction of the theory on the tiny difference between the inner and outer rotation curves on the acceleration plane. So, I immediately examined the SPARC data and got excited by the fact that the tiny difference was there.” However, it took some time for Chae to do a rigorous statistical analysis and investigate any possible hidden errors. He adds, “It is clear that the SPARC data prefer modified gravity over modified inertia. Of course, this conclusion needs to be confirmed by much larger and higher-quality data in the future. However, the power of the current SPARC data is still very impressive.”  Chae further asked the question of whether dark matter halos predicted by current state-of-the-art hydrodynamics simulations of galaxy formation can be as good as AQUAL, or perhaps even better, in predicting the inner and outer rotation curves. He comments on the results of the investigation, “It is interesting that dark matter halos also predict some difference between the inner and outer rotation curves on the acceleration plane, mimicking AQUAL to some extent. However, dark matter halo results deviate from the SPARC data on the acceleration plane requiring some unnatural fine tuning. What is truly surprising is that AQUAL naturally predicts both the inner and the outer rotation curves without any fine tuning.”   What’s next in testing theories with galactic rotation curves? For a more definite test than the published results, a new database is needed. Chae is currently engaged in an international collaboration including Dr. Federico Lelli of Arcetri Astrophysical Observatory - INAF (Florence, Italy) to undertake a SPARC II project funded by National Research Foundation of Korea. Chae says “The coming years will be an exciting time in search of solutions to the dark matter problem.” References: 1. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac93fc “Distinguishing Dark Matter, Modified Gravity, and Modified Inertia with the Inner and Outer Parts of Galactic Rotation Curves” 2. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac5405 “Numerical Solutions of the External Field Effect on the Radial Acceleration in Disk Galaxies” 3. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.106.103025 “Testing modified gravity theories with numerical solutions of the external field effect in rotationally supported galaxies” 다음글 GWTC-2 데이터를 이용한 쌍 블랙홀의 기원 연구 이전글 기뢰 매몰률 예측에 대한 기술동향 및 발전방향 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 기뢰 매몰률 예측에 대한 기술동향 및 발전방향 2023-07-24 hit 952 기뢰 매몰률 예측에 대한 기술동향 및 발전방향 세종대학교 대학원 해양시스템융합공학과 이근화 교수 기뢰: 값싼 비대칭 수중전력 기뢰는 선박을 파괴할 목적으로 해양에 설치하는 폭탄이다. 땅에 설치하는 지뢰와 똑같은 기능을 한다. 지뢰(地雷)는 이름에 한자인 땅 지(地)가 들어가는 반면 기뢰(機雷)라는 단어 자체에는 바다를 연상할 수 있는 의미는 없다. 사실 기뢰는 기계수뢰(機械水雷)라는 단어의 약자이다. 조선말 고종때 작성된 훈국신조군기도설(訓局新造軍器圖說)에서 물에서 폭발하는 탄을 일컫는 말로 수뢰(水雷)라는 용어를 사용한 사례로 볼 때, 현대에 사용하는 기뢰라는 단어는 일본의 난학자들이 근대에 만든 단어로 생각된다. 참고로 어뢰는 어형수뢰(魚形水雷)의 약어이며 일본에서는 기뢰와 어리를 통틀어 수뢰라고 한다. 그러나 우리나라에서는 명확하게 용어가 정의되고 사용되고 있지는 않은 듯하다. 초기의 기뢰는 기뢰 자체에 양성부력을 줘서 부유식이나 계류 방식으로 설치를 했으나 요즘에는 기뢰에 음성부력을 주고 해저면에 뿌리는 침저 방식으로 설치를 많이 한다. <그림 1. 기뢰의 분류 (Szturomski, 2015). 참고로 기뢰의 작동 방식은 직접충격, 자기감응, 전기감응, 압력감응, 음향감응, 음향 trigger에 의한 점화로 분류함> <그림 2. (a) 해저 기뢰의 예, (b) 계류 기뢰의 예 (출처: 구글 이미지)> 기뢰가 무서운 이유는 가격 대비 효용성에 있다. 기뢰는 원리상 설정에 맞춰서 터지는 폭탄에 불과하기 때문에 가격이 비쌀 수 없다. 보통 한 발에 수백만원 대이며 자항 및 복합센싱 기능을 갖춘 최신 기뢰도 수 억원 대를 넘지 않는다. 하지만 기뢰의 위협을 받는 함정의 가격은 최소 수 천억원대이며 우리 해군의 최신 이지스함인 정조대왕함의 가격은 1조 2천억원이 넘는다. 적이 기뢰를 이용해 주요 군항을 봉쇄하거나 기뢰로 인해 핵심 함정이 타격을 입는다면 그 피해는 어마어마할 것이다. 실제로 1950년 한국 전쟁 당시 북한은 해양통제권을 완전히 상실했음에도 불구하고 강력한 해군력을 보유한 연합군의 원산상륙작전을 항만에 기뢰를 부설하여 상당 기간 지연을 시켰다. 최근 러시아-우크라이나 전쟁에서도 러시아와 우크라이나는 각각 수천 개의 기뢰를 흑해 주변의 주요 군항에 살포했다. 이로 인해 수출입 항로가 봉쇄되고 표류하는 기뢰 때문에 주변국의 화물선 및 군함의 피해가 누적되고 있다.  Hunt when you can, Sweep when you must 기뢰를 제거하는 방법은 크게 탐색처리(minehunting)와 소해처리(minesweeping)로 구분할 수 있다. 탐색처리는 해역에서 기뢰를 수색하고, 탐지하고, 제거하는 과정을 말한다. 반면 소해처리는 기뢰를 수색하고 탐지하는 절차를 생략한다. 기뢰가 매설되었을 것이라 의심되는 해역을 소해장비로 청소하듯이 훑으면서 기뢰를 제거하는 것을 말한다. 미국에서는 전자의 역할을 수행하는 함정은 기뢰탐색함(minehunter)로 분류하고 후자의 역할을 수행하는 함정은 기뢰소해함(minesweeper)로 분류하여 관리한다. 당연히 기뢰탐색함이 첨단 탐색 장비를 많이 싣고 다녀야 해서 함정의 크기가 크고 기뢰소해함은 비교적 작다. 우리나라의 소해함은 일반적으로 미국의 기뢰탐색함의 역할로 탐색처리와 소해처리를 동시에 수행한다고 보면 된다. 기뢰를 어느 방식으로 처리할지는 전적으로 지휘관의 판단에 달려있다. 보통은 기뢰를 탐색하는 것이 너무 어렵다던가(바다는 항상 거칠며 수심 몇 미터만 들어가도 빛이 없다!), 적이 엄청난 수의 기뢰를 살포해서 탐색처리에 걸리는 시간이 말도 안되게 길다면 소해처리방식을 선택한다. 소해처리 방식은 탐색처리보다는 빠르지만 불확실성이 상존한다. 전자기에 반응하는 기뢰에 대해서만 소해를 했는데 혹시 음향에 반응하는 기뢰가 있었다면? 기계식 소해구로 해당 해역을 전부 훏고 다니기는 했는데 혹시 몇 개의 기뢰가 소해구를 빠져나왔다면? 소해처리는 빠르기는 하지만 항상 처리 이후에도 위험이 도사리고 있다. 그렇기 때문에 미해군에서는 기뢰전에 임할 때 항상 ‘Hunt as you can, Sweep as you must’라는 격언을 상기한다. 기뢰탐색: 소나를 이용한 음향 탐지와 한계 수중 기뢰 탐색에는 기본적으로는 음향 탐지를 이용한다. 수중은 탁도가 높아서 빛이 투과하기에는 어려운 환경이며 육상에서는 유용한 전자기파도 물에서는 감쇠율이 높기 때문에 사용이 불가능하다. 음향 탐지에 사용하는 장비는 측면주사소나를 보통 이용한다. 측면주사소나는 모선에 예인되는 수중예인체의 측면에 부착되는 센서 및 신호처리장치이다. 수중예인체의 이동방향을 따라 해저면을 음향으로 스캔하는 역할을 한다. 측면주사소나의 원리는 압전소자를 이용해 음향 빔을 형성하여 해저면에 조사시키고 해저면으로부터 산란되는 음파의 신호강도를 이용해 영상을 만드는 것이다. 최근에는 멀티 빔 측면주사 기술 및 합성개구면소나 기술이 널리 적용되어 음향 영상의 해상도는 4 cm 정도까지 높아진 상황이나, 픽셀의 크기가 0.1 mm이하인 광학 영상의 해상도와 비교하면 눈으로 봤을 때 쨍한 느낌은 여전히 없다. 또한 음파에는 색깔정보가 없기 때문에 음향 영상에 현실감 있게 색깔을 입히고 입체감을 주는 것도 해결해야 할 문제이다. 음향 영상으로 기뢰를 탐색할 때 가장 어려운 부분은 해저면에 깔려있는 해저 기뢰를 탐색할 때이다. 해저면은 콘크리트나 강철처럼 단단하지가 않다. 대부분은 육상이나 화산폭발로 대기에서 기원한 진흙이나 모래와 같은 알알히 부서지는 해저퇴적물로 덮여있다. 이러한 해저퇴적물에 해저기뢰를 공중이나 수중에서 투하하는 경우 낙하의 충격에 의해 해저퇴적물에 박히게 된다. 해저기뢰가 부분적으로 박혀있으면 부분매설기뢰(partially buried mine), 완전히 박혀 버리면 매설기뢰(buried mine)라고 지칭한다. 이러한 매설 형태의 기뢰는 소나 영상에서 뭉개져서 나타나거나 아예 기뢰가 없는 것으로 보이기 때문에, 단순한 측면주사소나로는 탐지 자체가 불가능하다. <그림 3. 측면주사소나로 얻은 스캔 영상의 예시 (출처:www.edgetech.com). 가운데의 하얀선이 수중예인체의 이동 궤적임.> <그림 4. 투하된 모의 해저 기뢰 (출처: www.whoi.edu/oceanus/fature)> 기뢰매몰률의 예측: 측정과 물리 모델링 기뢰매몰률은 기뢰가 해저퇴적층에 매설이 된 정도를 정량적으로 나타낸 양으로 기뢰의 전체 부피에 대한 매몰된 부피의 비로 정의된다. 탐지 측면에서 이미 매몰된 기뢰를 발견하기가 쉽지 않지만, 주요 항만이나 항로에 대한 관리 측면에서 보면 이야기가 달라진다. 앞서 이야기 했듯이 기뢰의 매설 여부는 전적으로 해양환경과 기뢰의 투하조건에 달려있는 문제이다. 그렇기 때문에 주요 해역에 대해 미리 기뢰매몰률을 예측할 수 있다면, 기뢰 대항 작전이나 기뢰 소해 작전을 수행할 때 소중한 정보로 활용 될 수 있다. 음향 탐지를 할때도 기뢰 매몰에 대한 사전 정보가 있다면 보다 세심하게 영상을 관찰할 수 있다. 기뢰매몰률을 예측하는 가장 직접적인 방법은 해역마다 돌아다니면서 모의 기뢰를 실제로 떨어뜨려보는 것이다. 문제는 돈이다. 바다에 실험선을 하루 띄우는데 필요한 비용은 보통 수천만원대로 알려져있다. 한반도 근해 전 해역에 대해 조사하는 것은 막대한 비용이 든다. 예산이 확보되었다고 해도 시간도 문제가 된다. 기뢰를 투하시키는 것까지는 쉽게 할 수 있지만 기뢰매몰률도 측정해야 하고 투하 기뢰를 회수도 해야 한다. 단 시간내에 할 수 있는 일은 절대 아니다. 그렇기 때문에 해양에서 수행되는 측정은 설령 시행된다고 해도 시공간적으로 듬성듬성하게 측정될 수 밖에 없다. 사실 이는 해양뿐만 아니라 지구나 우주환경에 대한 연구를 수행하는 모든 연구자들이 겪고 있는 어려움이다.  <그림 5. 세종대학교 수중음향실험실에서 수행된 입수각도 별 모형 낙하시험> 기뢰매몰률을 예측하는 또 다른 방법은 물리 모델을 이용하는 것이다. 해저 기뢰를 부설하는 방법은 헬기, 잠수함, 함정 등에서 기뢰를 물속으로 떨어뜨리는 방식이다. 역학적으로 기뢰 부설은 낙하운동으로 볼 수 있다. 기뢰는 원통형이나 잘려진 원뿔형의 유한한 부피를 갖는 강체이기 때문에 우선 병진운동뿐만 아니라 회전운동도 포함하는 6자유도 운동을 고려해야 한다. 기뢰가 낙하하면서 통과하는 매질은 공기, 물, 해저퇴적물의 최대 3개가 될 수 있다. 그렇기 때문에 운동방정식을 세울 때 3개의 서로 다른 상(phase)의 매질에 대해 외부 매질과 기뢰의 운동간의 동역학적 관계를 반영해야 한다. 연구 결과에 의하면 기뢰의 무게중심 및 초기조건에 따라 기뢰가 여러 거동을 보이며 낙하하는 것을 확인하였으며 물리 모델로도 유사한 모의가 가능하다는 것을 보였다. 물리 모델로 기뢰매몰률을 계산하는 것은 직접 측정과 달리 비용과 시간 측면에서 매우 유리하다. 하지만 물리 모델을 구동하기 위해서는 해저퇴적물 입도, 수심과 같은 해양환경자료가 필수적이며, 물리 모델의 정확도를 높이기 위해서는 실측 자료와의 비교를 통해 모수들의 범위를 제한하고 최신화해야한다.  <그림 6. 모형낙하실험 결과와 물리모델 예측의 비교> 후기 기뢰매몰률: 바다는 늘 변한다 앞서 서술한 기뢰매몰률은 엄밀히 이야기하면 초기 기뢰매몰률이다. 초기 기뢰매몰률은 해저기뢰의 낙하운동으로 인해 발생하는 최초의 기뢰매몰률이다. 기뢰는 부설 이후에 바로 동작하지 않는다. 임무가 완료되기 까지 시간이 필요하다. 유실된 기뢰의 경우 해저면에 침저된 상태로 몇 개월에서 수년간 머물수도 있다. 수중환경은 아쉽게도 정적이지 않다. 해수면에는 파도가 지나가고 해저면에는 저층해류가 흐르며 해류는 해저퇴적물을 끊임없이 이송하는 역할을 한다. 이 때문에 몇몇 해저 기뢰는 최초 투하시에는 해저면 위에 놓여있다가도 시간이 지나며 매설이 되기도 하고, 반대로 매설이 된 기뢰가 다시 모습을 드러내는 일도 발생한다. 이렇게 해양환경의 변화 때문에 달라지는 기뢰매몰률을 후기 기뢰매몰률이라고 지칭한다. 후기 기뢰매몰률과 관련된 주요 물리현상은 세굴(scour), 층면구조 이동(beadform migration), 해저퇴적물 액상화(liquefaction)를 들 수 있다. 세굴은 바다의 저층 해류에 의해 부분 매설 기뢰 주변의 해저 퇴적물이 씻겨나가면서 기뢰 주변이 파이는 현상을 말한다. 세굴현상은 다리나 고정식 해양구조물에서도 많이 발생하는 현상이다. 층면구조 이동은 거시적인 측면에서 해저퇴적물의 언덕이나 굴곡등이 해류에 따라 이동하는 것을 말한다. 사막에서 사구의 이동과 비슷하다고 생각하면 된다. 해저퇴적물 액상화는 파도에 의해 야기되는 반복적인 전단력이나 강한 충격으로 서로 알갱이로 뭉쳐있는 해저퇴적물 내부의 공극수압이 증가하여 전단강도를 상실함에 따라 마치 액체처럼 거동하는 현상을 말한다. 액상화는 주로 접착력이 미약한 모래퇴적물에서 많이 발생한다. 액상화는 기뢰의 침하나 자세변화를 야기할 수 있다.  <그림 7. 해저면에 매설된 물체(초음파 해류계) 주변의 유동에 의한 세굴의 예> 후기 기뢰매몰률을 물리 모델로 예측하는 것은 이론상으로는 가능하나 해양유체에 대한 대규모의 수치해석과 다수의 해양환경 자료가 필요하기 때문에 실용적이지 못하다. 혹시 먼 미래에 양자컴퓨터를 PC로 사용 할 수 있는 시대가 도래한다면 모르겠다. 그래서 대부분 경험식이나 단순한 환경에서 얻어진 해석식으로 후기 기뢰매몰률을 예측한다. 후기 기뢰매몰률은 초기매몰률과는 다르게 시간에 따라 변하는 값으로 표현된다. 이때 변화하는 시간 시케일은 기뢰매몰률을 변화시키는 해양환경의 시간 스케일에 거의 비례한다. 아래 그림은 기하학적인 방법을 이용해 예측한 층면구조 이동에 따른 기뢰매몰률의 변화를 보여준다. <그림 8. 시간별 사구의 이동에 따른 해저기뢰의 매몰깊이 변화의 예> 기뢰매몰률 예측의 발전 방향: 측정과 물리모델의 정확도 향상 실 해역의 기뢰매몰률을 정확히 예측하는 것은 일기예보를 하는 것과 본질에서 비슷하다. 실제 측정자료의 정확성을 높이고 또한 물리 모델의 정확성도 높여야 각각의 자료를 동화시켰을 때 예측정확도가 높아진다. 전통적으로 실 해역에서 기뢰매몰률을 측정하는 방식은 두 가지였다. 모의기뢰를 투하하고 다이버가 수작업으로 기뢰매몰률을 측정하거나, 해양조사를 통해 얻어진 해저퇴적물 물성을 통해 간접적으로 유추를 하는 방식이다. 정확도도 문제지만 일단 비용이 많이 든다. 위 방식으로는 몇 주에서 몇 달을 관찰할 수도 있는 후기 기뢰매몰률 측정은 엄두도 안 나는 상황이다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 모의기뢰에 최신 센싱 기술을 적용하는 것이다. 모의기뢰의 표면에 광학센서나 음향센서를 부착하여 매몰상태에 대한 기하학적인 정보를 얻고 직접 기뢰매몰률을 측정하는 것이다. 또 한 가지 방법은 소나를 이용한 음향 탐지이다. 측면주사소나로부터 얻어진 음향 영상을 분석하면 부분매몰된 기뢰의 기뢰매몰율을 유추할 수 있다. 소나 영상은 육지나 위성에서 얻어진 영상 정보에 비해 해상도가 낮고 지저분하므로 인공지능기술의 적용이 필수적이다. 이론상으로 합성개구방식의 저주파소나는 지층을 투과할 수 있는 저주파를 활용하기 때문에 매몰기뢰도 접촉할 수 있다. 이 자료를 시각화하면 역시 간접적으로 매몰기뢰의 자세 정보와 위치를 얻어낼 수 있을 것이다 (저주파 센서 제작 및 신호 생성 기술 확보는 매우 어렵다). 소나를 이용한 측정은 무인잠수정이나 무인수상정에서도 예인할수도 있기 때문에 비용 측면에서도 이득이다. 위와 같은 측정의 정확도 향상과 더불어 물리 모델을 고도화하는 것도 필요하다. 물리 모델을 기뢰매몰률 예측에 활용할 때 맞닥뜨릴 수 있는 문제는 물리 모델에 사용된 가정의 합리성 여부와 물리 모델에 들어가는 부가질량계수, 항력계수와 같은 동력학적 계수들의 결정이다. 특히 기뢰처럼 시간에 따라 물체의 자세가 달라지는 운동체에 대해서는 유체역학적 계수들의 결정이 무엇보다도 중요하다. 그러므로 다양한 상황에서 수치실험이나 모형/실선 실험을 통해 유체역학적 계수들을 얻어내는 것이 필요하다. 궁극적으로는 실 해역에서의 측정값과 물리 모델의 추정값의 자료 동화를 통해 물리 모델의 예측 정확도를 향상할 수 있을 것이다.  결 언 본 고에서는 기뢰매몰률 예측 모델에 대한 소개와 발전 방향을 살펴보았다. 조금 시각을 넓혀서 기뢰전 전체를 본다면, 최근 기뢰전의 대세는 무인화라고 할 수 있다. 기뢰전은 작전 시작부터 끝까지 기뢰라는 폭발물에 직접적으로 노출된다. 평소 대비를 철저히 해도 불가항력적인 사고로 아군의 피해가 발생할 수 있다. 이러한 위험을 최소화할 수 있는 최고의 묘안은 기뢰전 전력을 무인화하는 것이다. 값비싼 소해함 한 척을 투입하는 것보다 저가의 무인수상정과 무인잠수정을 여러 척 운용하는 것이 위험 분산이나 정보획득 측면에서 훨씬 좋다. 무인화를 효과적으로 구현하기 위해서는 필연적으로 대상 체계의 지능화 수준을 높여야 한다. 무인 선단이 협동으로 자율운항하며 수집된 음향 및 광학 정보 등을 이용해 기뢰를 자동분류하고 식별 및 제거하는 전장이 기뢰전의 미래다. 우리 세종대학교에서도 각 군과 협업하여 미래 무기체계의 무인화와 인공지능기술과 관련된 여러 핵심 연구를 수행하고 있다. 국방 R&D는 융복합 연구의 특성이 있어서 학부 레벨에서는 소화하기 힘들고 대학원 수준에서 연구가 수행된다. 실무 및 연구인력 양성도 대학원이 담당한다. 본교의 많은 우수한 학생들이 각 군의 국방 R&D에 관심을 두기를 바라며, 특히 해군 무기체계 발전에 더욱 각별한 관심을 가진다면 더할 나위 없을 것이다. 본 연구를 함께한 외부연구원들과 세종대학교 수중음향/신호처리그룹 추영민, 홍우영 교수, 자율운항실험실 김세원 교수, 국방시스템공학과 김진황 교수에게 감사드리며 이만 글을 마친다. 참고문헌 1. 박재광, “조선시대판 수중 기뢰 ‘수뢰포’,” 과학과 기술 2007년 8월호, pp.47-53 (2007). 2. Bogdan Szturomski, “The effect of an underwater explosion on a ship,” Scientific journal of polish naval academy 2, pp.57-73 (2015). 3. Veronika Yordanova, Intelligent adaptive underwater sensor networks, Ph. D. thesis, University College London (2018). 4. R. O’boyle and J. Puelo, Sea mine burial prediction for naval mine countermeasures mission planning, Research report No. CACR-20-01, CACR (2020). 5. R. H. Wilkens and M. D. Richardson, “Mine burial prediction: A short history and introduction,” IEEE Oceanic Eng. 32, pp.3-9 (2007). 6. 김동현, “기뢰부설위치예측에 대한 방안 연구”, 한국군사과학기술학회지 16권, pp.1-4 (2013). 7. 최현호, “기뢰제거를 위한 첨단기술: 무인 기뢰 탐지 및 처리,” 국방과 기술 2018년 12월호, pp.60-73 (2018). 8. 김준영, 신창홍, 김경희, “소나와 무인기뢰처리기 정보를 활용한 기뢰전 체계 설계 방안,” 한국통신정보과학학회지 39C권 pp.1243-1249 (2014). 9. 홍성준, 정인식, 박승수, “4차 산업혁명 신기술로 무장한 기뢰위협과 우리의 대응방안,” 해군과학기술학회지 3권, pp.147-156 (2020). 10. 이기영, “무인잠수정 기반 기뢰대항전체계 개발을 위한 소요기술 분석,” 한국군사과학기술학회지 14권, pp.579-589 (2011). 11. 조성진, “UUV 중심의 한국해군 기뢰대항전력 발전방향,” 2019 스마트 네이비 컨퍼런스 학술대회 논문집 (2019). 12. 홍순국, 임경한, 허장완, 김인곤, “무인잠수정(실시간 수중 감시정찰 가능 이종플랫폼)을 이용한 해군 수중작전(대기뢰/대잠전) 운용개념(안) 및 발전방향,” 2022 스마트 네이비 컨퍼런스 학술대회 논문집 (2022). 13. 방위사업청 보도자료, “유무인복합체계 소해함 만든다.,” https://news.nate.com/view/20230116n01685?mid=n0201(2023). 다음글 Modified gravity is boosted by a deeper analysis of galactic rotation curves 이전글 Low-acceleration catastrophe of gravity from Gaia observations of wide binary stars: dawn of a new scientific revolution 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 원전 해체 발생 방사성 폐액 처리 성능 향상을 위한 친환경 바이오 소재 공정 개발 2023-07-24 hit 782 원전 해체 발생 방사성 폐액 처리 성능 향상을 위한 친환경 바이오 소재 공정 개발 (Development of Eco-friendly Bio-material to Improve the Treatment Performance of Radioactive Liquid Waste from Decommissioning) 바이오산업자원공학전공 윤미용 교수 1. 서론 (Introduction) 전 세계적으로 영구 정지된 원전의 해체는 원전보유국으로서는 큰 국가적 목표이며, 국내에서는 현재 고리1호기와 월성1호기 해체를 준비 중이다. 현재 전 세계 204기 영구정지 원전 중 미국, 독일, 일본, 스위스 4개국만이 해체를 완료한 경험이 있다. 해체 경험이 없는 한국은 소규모 원자력 시설(연구로 1·2호기, 우라늄변환시설) 및 운영 원전 대형 기기 교체(증기발생기, 원자로 압력관 및 원자로 헤드 교체) 경험을 통해 해체 기술을 확보 중이며, 계속해서 원전 해체 상용화 기술을 확보하기 위한 사업이 추진되고 있다. 원전 해체 과정에서 대량의 방사성폐기물 발생, 막대한 해체 비용, 장기적 관리 등이 중요한 문제로 대두되고 있다. 또한 방사성폐기물 관리기준 및 발생량은 국가별로 상이하므로, 해외 기술을 직접 도입하기보다 국내 여건에 부합하는 방사성폐기물 처리 기술을 개발하는 것이 요구되고 있다. 특히 한국은 국토의 면적 대비 인구가 많아 방사성 폐기물 처분장의 증설이 어려울 뿐만 아니라 방사성폐기물 안전관리에 대한 국민적 요구가 높기 때문에 방사성폐기물 처분의 경제적/사회적 비용이 크게 증가한다.  현재 방사성 폐액 처리에 주로 사용되고 있는 이온교환수지는 방사성 이온 물질로 포화가 되면 방사성 폐수지로 처리되어야 하기 때문에 2차 핵 폐기물이 양산 된다. 국내에서 겪고 있는 방사성폐기물 처리장 부족 문제 때문에, 2차 핵폐기물 감용에 대한 관련 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다. 이에 본 연구팀은 정부에서 주도 하는 원자력 에너지개발사업 일환으로 압타머를 적용한 폐액 처리 공정(그림 1)을 개발하는 연구를 수행하였다. 최근 보고된 연구에서 압타머가 특정 이온성 원소에 높은 선택성을 갖고 결합할 수 있다는 결과들과 본 연구팀이 코발트 및 니켈을 제거하는 압타머 기술을 바탕으로 압타머를 원자력분야에 적용하는 다양한 연구를 수행하였다. 즉,특정 표적 물질에 선택적으로 결합할 수 있는 압타머 고유의 특징을 활용하여, 원전 해체로 발생하는 방사성 폐액 내 특정 원소를 제거 및 처리하기 위한 원천기술을 개발하고자 하였다. (그림 1) 그리고 이를 방사성 폐액 처리에 활용함에 따라 액체 방사성폐기물 감용 및 처리비용 절감과 같은 다양한 부가가치 창출이 가능할 것으로 예상하였다.   (그림 1) 압타머 기반 폐액 처리 공정 개요 2. 방사성물질 제어를 위한 방사성 금속 이온 특이적 압타머 발굴 압타머(Aptamer)는 “fitting”이라는 뜻을 가지는 라틴어 “aptus”와 그리스 접미사 “-mer”의 합성어로, 표적 분자에 친화적/특이적으로 결합할 수 있는 핵산(ssDNA, RNA)으로 구성된다. 즉, 압타머는 안정된 3차원 구조를 유지하면서 특정 분자에 특이적으로 강하게 결합한다는 특징을 지닌 친환경 바이오 소재이다. (그림 2)   (그림 2) 친환경 바이오 소재 압타머 친환경 바이오 소재인 압타머는 그 고유 구조에 의해 표적 물질 별로 선택성을 가지고 결합할 수 있다는 특징이 있으며, 이를 이용하여 방사성 폐액 내 특정 원소를 제거하기 위한 ‘친환경 바이오 소재 공정’을 개발하였다. 압타며 발굴을 위해 보편적으로 SELEX(Systematic evolution of ligands by exponential enrichment) 기술이 사용된다. SELEX 기술은 1990년 Larry Gold에 의해 고안된 것으로, 해당 기술을 통해 무작위로 합성된 올리고뉴클레오타이드 라이브러리(oligonucleotide library: 서로 다른 종류의 수십 조개의 압터머가 포함 되어있음)로부터 표적 물질과 친화력을 가지는 소수의 압타머를 선별할 수 있다. 또한 동일한 방법으로 저분자 화합물부터 고분자 단백질에 이르기까지 다양한 표적 물질에 친화력을 가지고 결합할 수 있는 압타머를 발굴할 수 있다. SELEX 방법에서 이용되는 단일 가닥 압타머는 1015개 이상의 다양한 염기서열을 포함하며, 양 말단에는 중합효소 연쇄반응(PCR: polymerase chain reaction)을 위한 프라이머(primer) 서열이 존재하는 특징을 지닌다. 무작위로 만들어진 압타머 라이브러리(library)에는 방사성 금속 이온과 강한 결합력을 가진 소수의 압타머 후보군들이 존재할 것으로 기대된다. 방사성 금속 이온과 결합한 후보군들은 결합하지 않은 개체들과 구별되어 PCR로 증폭되고, 이러한 과정이 6~15회 반복되어 선별된다 (그림 3). 이때 SELEX의 전반적인 속도는 표적 물질에 결합하고 있는 압타머를 얼마나 효율적이고 정교하게 선별해낼 수 있는지에 따라 좌우된다. 반복된 실험과정을 효과적으로 단축하면서 결합 친화도가 높은 압타머를 선별하는 것이 SELEX 기술의 핵심이다.   (그림 3) SELEX(Systematic evolution of ligands by exponential enrichment)를 이용한 방사성 금속 이온 결합 압타머 발굴 위의 SELEX 방식을 통해 방사성 폐액에 존재하는 대표 핵종인 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn) 이온에 대한 압타머를 발굴하였다. 각각의 표적 이온과의 결합력을 확인하기 위하여 SPR(Surface Plasmon Resonance)로 결합 친화도(Kd value)를 측정한 결과, 10-9(nM)의 높은 결합력을 확인하였다. (표 1) (표1) 발굴된 방사성 이온 압타머의 결합 친화도 3. 방사성물질 제어를 위한 압타머 구조분석 및 최적화 발굴한 방사성 이온 특이적 압타머의 효율성과 생산 단가 절감을 위해 압타머 서열 분석 및 압타머를 고정할 비드와의 결합 비율 최적화 단계를 수행하였다. 우선, SELEX를 통해 획득한 압타머의 금속 이온과 결합하는 부위 및 압타머 안정화에 관여하는 부위 등을 예측하기 위해 핵산 구조 분석 프로그램(m-fold/NUPACK)을 이용하였다. 프로그램을 통해 확인한 압타머의 주요 부위 혹은 구조에 영향을 줄 수 있는 부위를 돌연변이(mutation) 혹은 제거(deletion) 등의 방식으로 변이를 유도하였고, 이를 통해 압타머 2차 구조 변화 여부를 예측하였고, 이를 기반으로 표적 이온과 결합하는데 기여하는 결합 부위 서열을 최종적으로 결정하였다. 나아가, 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy; ∆G) 값이 낮을수록 압타머 구조가 안정적이므로, 압타머의 2차구조 및 결합 부위 서열을 유지하면서 더 안정적인 구조를 유지하는 최적의 서열을 확보하였다. 마지막으로 생산 단가 절감을 위해 결합 부위 서열을 유지하는 최소한의 압타머 서열 만을 남기는 크롤링(crawling-염기 서열을 끝에서부터 일정하게 제거하면서 구조 변화를 검증) 방식을 통해 서열을 최적화 하였다. (그림 4)   (그림 4) 구조분석 프로그램을 이용한 압타머 구조 분석 및 서열 최적화 최적화된 압타머 서열 획득한 후, 압타머를 고정할 비드와의 최적 결합 비율을 결정하는 것이 중요하다. 예를 들어 하나의 비드에 압타머 10개가 최대치로 결합할 수 있다고 가정해 보자. 산술적으로 최대치를 계산할 수 있는 데는 한계가 있기 때문에 압타머 개수를 1개부터 조금씩 양을 늘려서 언제 압타머 개수가 최대치인지를 결정해야 한다. 이때 압타머에 형광을 붙인 상태에서 위의 실험을 수행한다면, 압타머 개수가 10개에 도달했을 때 형광 값이 가장 밝은 것을 알 수 있을 것이다. 즉 10개 이상이면 더 이상 밝기가 밝아지지 않기 때문에 우리는 최대값을 분석을 통해 얻을 수 있다. 다만 여기서 고려해야 할 상황은, 압타머를 최대치로 붙이는 것이 최선이 아닌 경우가 많다는 것이다. 압타머의 밀도가 높은 경우, 오히려 서로 금속 이온 결합에 방해를 할 수 있기 때문이다. 이에 본 연구팀은 압타머를 비드에 최대치로 고정시키는 것이 아니라, 가장 많은 금속과 결합하는 비드/압타머 비율을 결정하는 실험을 별도로 수행하였다. 기존 방법(형광 현미경 혹은 형광측정기)으로는 압타머/비드 효율을 결정하기 위해 많은 시간과 노력이 필요하는 데 반해, 본 연구팀은 새로운 방식을 접목시켜 쉽고 빠르게 압타머/비드 비율 최적화를 얻을 수 있었다. 그림5A에서 보듯이, Flow cytometry(유세포분석기)를 이용하여 형광이 부착된 압타머와 비드 복합체를 분석하면 실험에 사용된 모든 압타머/비드 분석이 가능하며, 이를 통해 정확한 샘플의 질을 예측할 수 있었다 (그림 5A, B). 나아가, 이와 같이 새로 접목된 실험 방법을 통해 얻은 결과의 신뢰성을 입증하기 위해 기존 방식(형광현미경)을 이용하여 유세포분석기 결과를 검증하였다. 그림 5를 통해 서로 다른 실험 방식에서 유사한 결과를 얻었음을 확인할 수 있었다 (그림 5A, C, D).    (그림 5) 유세포 분석기(A-C)와 형광 현미경(D)을 이용한 압타머-비드 복합체 비율 결정 실험 결과 4. 최적화된 방사성 이온 압타머의 성능 평가 방사성물질 제어를 위한 금속 이온 압타머의 이온 성능을 확인하기 위하여 압타머의 이온 제거 성능과 제거한 이온을 다시 회수한 뒤 압타머를 재사용 할 수 있는지 확인하였다. 압타머의 성능 평가에는 금속 이온 농도를 측정할 수 있는 유도결합 플라즈마 분광분석기(ICP-OES: Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer)를 사용하였다. (그림 6) (그림 6) ICP-OES를 통한 압타머 성능 평가 (제거율 및 수거율) 본 연구팀은 코발트, 니켈, 망간, 유로피움 등의 원소와 특이적으로 결합하는 압타머를 다수 발굴하였다. 이렇게 발굴한 코발트, 니켈, 망간에 특이 결합하는 압타머를 비드에 각각 고정시킨 후 각각의 표적 이온을 대상으로 이온 제거율 및 제거한 이온 수거율을 확인하였다. 이에 따른 결과에서 코발트, 니켈, 망간 압타머 모두 99% 이상의 표적 이온 제거율이 보임을 확인하였다 (그림 7A).  원자력발전소 해체 및 운용 중 발전소에서 사용되고 있는 기존 방사성 금속이온 제거용 이온교환수지의 경우 방사성 금속이온으로 포화가 되면, 이를 방사성 폐기물로 처리해야 되기 때문에 2차 핵폐기물이 발생한다는 단점이 존재한다. 현재 가장 큰 어려움은 국내 핵폐기물장의 부지 선정의 지연으로, 이러한 핵폐기물 처리 문제는 원자력분야의 최대 골칫거리로 자리잡고 있다. 이온교환수지에서 방사능 금속 이온을 제거할 수 있는 방법이 존재하지만, 이 또한 황산 등의 강산을 사용해야 하기 때문에 2차 환경오염물질을 배출해야 하며, 강산과 섞여 있는 방사성 물질의 처리가 어렵기 때문에 현재에는 방사능 물질로 포화된 이온교환수지를 핵폐기물장에 처리하고 있다. 따라서 이러한 2차 핵 폐기물 감용 기술 개발이 많이 요구되는 상황이다. 본 연구팀이 개발한 압타머/비드 컬럼을 사용했을 경우 컬럼에 결합되어 있는 방사성 금속 이온을 쉽게 분리할 수가 있다. 이러한 컬럼을 이용한 결과, 그림 7B에서 보듯이 분리된 금속 이온이 99.96% 이상이 되는 것으로 확인 되었고, 이는 기술력이 수거율 100%에 이를 정도로 발전 했음을 의미한다.   (그림 7) 압타머의 표적 이온 (A) Removal rate(제거율) 및 (B) Recovery rate(수거율) 앞에서 언급하였듯이 압타머로 포집한 방사성 금속 이온을 거의 100%에 가까운 수거율로 회수 할 수 있다는 것은, 압타머/비드 컬럼 내에 방사성 금속 이온이 거의 존재하지 않는다는 뜻이며, 이는 제품을 다시 재사용 할 수 있는 가능성이 높다는 것을 의미한다. 제품을 재사용 한다는 것은 유지 비용의 감소를 의미하며, 이는 곧 경쟁력이 될 수 있기 때문에 위 과정을 입증하기 위하여 압타머/비드 컬럼의 재사용 검증 실험을 수행 하였다 (그림 8). 그림에서 보이듯이 20회 정도의 반복적인 재사용에도 95% 이상의 코발트 이온의 제거율을 보이고 있음을 확인하였다. 앞으로 추가적으로 다양한 환경에서 재사용 회수를 늘려 제거율 측정 실험을 수행할 예정이다. (그림 8) 압타머의 재사용 횟수에 따른 제거율 압타머는 기본 구조에 음성을 띠고 있어 양이온과의 결합이 쉽게 이뤄진다. 그렇기 때문에 본 연구팀이 개발한 압타머가 표적 이온에 선택적으로 결합하는지에 대한 여부를 확인하는 것이 필요했다. 이러한 실험을 진행 하기 위해 9가지 이온 혼합 샘플을 압타머 기반 컬럼으로 처리하고, 처리 전과 후의 농도를 측정하여 제거율을 평가하였다. 코발트/니켈/망간 특이적 압타머 혼합 컬럼의 경우 대상 이온에 대해 70~85% 정도의 높은 제거율이 확인되었기 때문에 각각의 압타머가 대상 금속 이온에 대해 높은 선택성을 갖고 있음을 확인하였다. (그림 9)   (그림 9) 다표적(코발트, 니켈, 망간 압타머) 컬럼의 표적 이온 선택성 검증 5. 현장 시험 위에서 언급하였듯이, 다양한 실험을 통해서 본 연구팀이 개발한 압타머들이 높은 선택성으로 표적 방사성 이온을 제거할 수 있음을 확인하였다. 하지만 실험실 조건에서 실시한 실험 샘플들은 대상 방사성 이온만 존재하게끔 만든 인위적인 상태였기 때문에 현장 샘플을 이용한 검증이 필요하였다. 실제 방사성 조건에서도 압타머를 이용한 제거가 가능한지 확인하기 위해 실시 된 현장 시험은 크게 두 곳에서 독립적으로 진행하였다. 한 곳은 한국원자력연구원에서 방사성물질 포함 시료를 대상으로 현장 시험을 수행하였고, 다른 한 곳은 영광 한빛 제1원자력발전소에서 1차 계통수를 대상으로 현장 시험을 수행하였다. 그림 10에서 볼 수 있듯이 서로 다른 독립된 실험 두 곳에서 방사성 이온이 90% 이상 제거되는 것을 확인하였다 (그림 10). 특히 한국원자력연구원에서 실험한 경우 실험실 조건과 동일하게 99%의 방사성 코발트와 니켈 금속 이온이 제거된 것을 확인할 수 있었으며, 한빛원자력발전소 역시 다양한 방사성 금속 이온이 샘플 내에 존재하였지만, 90%의 방사성 코발트와 망간이 제거된 것을 확인할 수 있었다.   (그림 10) 방사성 조건에서 압타머 성능평가를 위한 현장 시험 6. 결론 및 전망 (Conclusion and outlook) 본 연구는 의료 및 산업 분야에서 각광받고 있는 압타머를 원자력 분야에 도입하여 방사성 폐액에 존재하는 이온성 원소를 제거할 수 있는 세계 최초의 신규 공정을 개발하였다는 점에 의의를 둔다. 특히 본 연구팀이 개발한 압타머/비드 컬럼은 방사성 코발트, 니켈, 망간 등을 90% 넘는 높은 효율로 제거 하였기 때문에 현장 적용 가능성이 높다고 판단된다. 표적 물질 특이적 압타머 기술을 활용한 방사성 폐액 처리용 압타머 컬럼은 표적 방사성 이온에 결합력이 특히 강하므로, 이 특성을 활용함으로써 다양한 폐액의 특성 및 환경에 맞춰 처리 공정을 최적화시킬 수 있다는 점에서 기존 기술과 차별성이 있다.  본 연구팀은 압타머 개발 시 표적 이온과의 결합 예측 부위 분석으로 결합에 관여하지 않는 불필요한 서열은 제거함으로써 압타머의 생산 단가를 절감할 수 있는 기술을 발전시켜 보다 효율성을 높이는 성과를 얻었다. 또한, 개발된 압타머는 표적 이온을 높은 선택성으로 포집하는 것이 가능하고, 포집된 이온을 회수하는 것이 가능하였다. 특히 개발한 압타머/비드 컬럼에 포집된 이온을 회수할 수 있는 기술을 독자적으로 확보 하여 추후 현장에 적용할 때 큰 장점으로 작용할 것이라 판단된다. 또한 반복적인 재사용이 가능하다는 점은 현장에서 유지비용을 크게 절감시켜 사용자에게 경제적 이점을 제공할 수 있을 것이다. 더불어 기존 방사성 이온 제거 방식인 이온교환수지의 경우 방사성 물질로 포화가 되면 2차 방사성 폐기물로 처리되어 왔지만, 본 연구팀이 개발한 압타머/비드 컬럼의 경우 2차 방사성 폐기물이 전혀 발생하지 않기 때문에 운용 중 원자력발전소 및 발전소 해체 시 발생되는 방사성 폐기물 양을 현격히 줄일 수 있다.   하지만 본 연구는 실험실 규모의 저용량 규모로 연구가 진행되었기에 실제 원전 해체 환경에 적용하기에는 많은 추가 연구가 필요하다. 특히 원전 해체 환경 혹은 원자력발전소에 적용하기 위하여 방사성 폐액 양의 증가, 컬럼에 유입되는 폐액 유압 및 유속 등이 압타머 구조에 미치는 영향 등과 같이 추가로 검증해야 할 부분이 많은 것은 사실이다. 하지만 압타머를 이용하여 방사성 이온을 제거 하는 기술은 국내외 유일하기 때문에 추가 연구를 통해 방사성 폐액 처리 기술 및 공정 개발이 완벽하게 이뤄지면 관련 원전 해체 산업에 대한 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 해체 발생 폐액 외에도 특정 금속 이온을 제거하고자 하는 분야에서 높은 상용화 가능성이 있다. 본 기술은 특정 원소를 제거 및 회수 한다는 점에서 타 기술들과 차별화되므로 원천기술의 고도화를 통하여 미래 환경분야에 기여할 수 있기를 기대한다. 본 연구는 ㈜래드코어와 한국전력국제원자력대학원대학교 김송현 교수 연구팀과 공동으로 진행되었고, 한국에너지기술평가원의 지원을 받아서 수행되었다. 참고문헌 1. 압타머 활용 해체 원전 액체 방사성폐기물 처리 방사선작업종사자 피폭량 예측 및 저감 방안 도출. 방사선산업학회지 2022, vol. 16, no.4, pp.497-503. 2. RNA 앱타머 (Aptamer): 간단한 원리부터 복잡한 응용까지. 분자세포생물학회지. 제19권 제1호 2007년 3월 p. 23-29.  3. Sun Young Lee, Dae Hyuk Jang, Hyuncheol Kim and Miyong Yun. 2023. Removal and isolation of radioactive cobalt using DNA aptamers. Radiochimica Acta. 2022-0112. 4. Sekhon, S. S., Lee, S. H., Lee, K. A., Min, J., Lee, B. T., Kim, K. W., Ahn, J. Y., Kim, Y. H. Defining the copper binding aptamotif and aptamer integrated recovery platform (AIRP). Nanoscale 2017, 9, 2883–2894. 5. Eilers A, Witt S and Walter J. 2020. Aptamer-Modified Nanoparticles in Medical Applications. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 174:161-193. 6. Tuerk C and Gold L. 1990. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. Science 249(4968):505-510.  7. Hofmann HP, Limmer S, Hornung V and Sprinzl M. 1997. Ni2+-binding RNA motifs with an asymmetric purine-rich internal loop and a G-A base pair. RNA 3(11):1289-1300.  8. Rajendran M and Ellington AD. 2008. Selection of fluorescent aptamer beacons that light up in the presence of zinc. Anal. Bioanal. Chem. 390(4):1067-1075.  다음글 Low-acceleration catastrophe of gravity from Gaia observations of wide binary stars: dawn of a new scientific revolution 이전글 초실감 메타버스를 위한 궁극의 3D 오디오 기술: 사운드 트레이싱 (Sound tracing) 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 Low-acceleration catastrophe of gravity from Gaia observations of wide binary stars: dawn of a new scientific revolution 2023-07-24 hit 1727 Low-acceleration catastrophe of gravity from Gaia observations of wide binary stars: dawn of a new scientific revolution Department of Phsics & Astronomy, Sejong University Prof. Kyu-Hyun Chae A new study reports conclusive evidence for the breakdown of standard gravity in the low acceleration limit from a verifiable analysis of the orbital motions of long-period, widely separated, binary stars, usually referred to as wide binaries in astronomy and astrophysics. The study carried out by Kyu-Hyun Chae, professor of physics and astronomy at Sejong University in Seoul, used up to 26,500 wide binaries within 650 light years (LY) observed by European Space Agency’s Gaia space telescope.  ▲Left: A binary star system with a nested inner binary (credit: Wikipedia). Right: Gravitational anomaly at low acceleration observed in 20,000 wide binaries (credit: Kyu-Hyun Chae) For a key improvement over other studies Chae’s study focused on calculating gravitational accelerations experienced by binary stars as a function of their separation or, equivalently the orbital period, by a Monte Carlo deprojection of observed sky-projected motions to the three-dimensional space. Chae explains on this point, “From the start it seemed clear to me that gravity could be most directly and efficiently tested by calculating accelerations because gravitational field itself is an acceleration. My recent research experiences with galactic rotation curves led me to this idea. Galactic disks and wide binaries share some similarity in their orbits, though wide binaries follow highly elongated orbits while hydrogen gas particles in a galactic disk follow nearly circular orbits.” Also, unlike other studies Chae calibrated the occurrence rate of hidden nested inner binaries at a benchmark acceleration as shown in the Figure.   The study finds that when two stars orbit around with each other with accelerations lower than about one nanometer per second squared start to deviate from the prediction by Newton’s universal law of gravitation and Einstein’s general relativity. For accelerations lower than about 0.1 nanometer per second squared, the observed acceleration is about 30 to 40 percent higher than the Newton-Einstein prediction. The significance is very high meeting the conventional criteria of 5 sigma for a scientific discovery. In a sample of 20,000 wide binaries within a distance limit of 650 LY two independent acceleration bins respectively show deviations of over 5 sigma significance in the same direction. Because the observed accelerations stronger than about 10 nanometer per second squared agree well with the Newton-Einstein prediction from the same analysis, the observed boost of accelerations at lower accelerations is a mystery. What is intriguing is that this breakdown of the Newton-Einstein theory at accelerations weaker than about one nanometer per second squared was suggested 40 years ago by theoretical physicist Mordehai Milgrom at the Weizmann Institute in Israel in a new theoretical framework called modified Newtonian dynamics (MOND) or Milgromian dynamics in current usage.  Moreover, the boost factor of about 1.4 is correctly predicted by a MOND-type Lagrangian theory of gravity called AQUAL, proposed by Milgrom and the late physicist Jacob Bekenstein. What is remarkable is that the correct boost factor requires the external field effect from the Milky Way galaxy that is a unique prediction of MOND-type modified gravity. Thus, what the wide binary data show are not only the breakdown of Newtonian dynamics but also the manifestation of the external field effect of modified gravity. On the results, Chae says, “It seems impossible that a conspiracy or unknown systematic can cause these acceleration-dependent breakdown of the standard gravity in agreement with AQUAL. I have examined all possible systematics as described in the rather long paper. The results are genuine. I foresee that the results will be confirmed and refined with better and larger data in the future. I have also released all my codes for the sake of transparency and to serve any interested researchers.”  Unlike galactic rotation curves in which the observed boosted accelerations can, in principle, be attributed to dark matter in the Newton-Einstein standard gravity, wide binary dynamics cannot be affected by it even if it existed. The standard gravity simply breaks down in the weak acceleration limit in accordance with the MOND framework. Implications of wide binary dynamics are profound in astrophysics, theoretical physics, and cosmology. Anomalies in Mercury’s orbits observed in the nineteenth century eventually led to Einstein’s general relativity. Now anomalies in wide binaries require a new theory extending general relativity to the low acceleration MOND limit. Despite all the successes of Newton’s gravity, general relativity is needed for relativistic gravitational phenomena such as black holes and gravitational waves. Likewise, despite all the successes of general relativity, a new theory is needed for MOND phenomena in the weak acceleration limit. The weak-acceleration catastrophe of gravity may have some similarity to the ultraviolet catastrophe of classical electrodynamics that led to quantum physics. Wide binary anomalies are a disaster to the standard gravity and cosmology that rely on dark matter and dark energy concepts. Because gravity follows MOND, a large amount of dark matter in galaxies (and even in the universe) are no longer needed. This is also a big surprise to Chae who, like typical scientists, “believed in” dark matter until a few years ago.   A new revolution in physics seems now under way. On the present results and the future prospects, Milgrom says, “Chae’s finding is a result of a very involved analysis of cutting-edge data, which, as far as I can judge, he has performed very meticulously and carefully. But for such a far-reaching finding -- and it is indeed very far reaching -- we require confirmation by independent analyses, preferably with better future data. If this anomaly is confirmed as a breakdown of Newtonian dynamics, and especially if it indeed agrees with the most straightforward predictions of MOND, it will have enormous implications for astrophysics, cosmology, and for fundamental physics at large.“  Xavier Hernandez, professor at UNAM in Mexico who first suggested wide binary tests of gravity a decade ago, says, “It is exciting that the departure from Newtonian gravity that my group has claimed for some time has now been independently confirmed, and impressive that this departure has for the first time been correctly identified as accurately corresponding to a detailed MOND model. The unprecedented accuracy of the Gaia satellite, the large and meticulously selected sample Chae uses and his detailed analysis, make his results sufficiently robust to qualify as a discovery.”  Pavel Kroupa, professor at Bonn University and at Charles University in Prague, has come to the same conclusions concerning the law of gravitation. He says, "With this test on wide binaries as well as our tests on open star clusters nearby the Sun, the data now compellingly imply that gravitation is Milgromian rather than Newtonian. The implications for all of astrophysics are immense." The finding was published in the 1 August 2023 issue of the Astrophysical Journal. Reference: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ace101 “Breakdown of the Newton–Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars” (The Astrophysical Journal, 2023, Vol. 952, article ID 128) 다음글 기뢰 매몰률 예측에 대한 기술동향 및 발전방향 이전글 원전 해체 발생 방사성 폐액 처리 성능 향상을 위한 친환경 바이오 소재 공정 개발 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 초실감 메타버스를 위한 궁극의 3D 오디오 기술: 사운드 트레이싱 (Sound tracing) 2023-10-24 hit 875 초실감 메타버스를 위한 궁극의 3D 오디오 기술: 사운드 트레이싱 (Sound tracing) 세종대학교 컴퓨터공학과 박우찬 1. 서론 최근 메타버스(Metaverse)라는 용어가 산업계는 물론이고 학계에서도 주요하게 거론되는 키워드이다. 메타버스는 가상 혹은 초월을 의미하는 ‘메타’(meta)와 우주를 의미하는 ‘유니버스’(universe)를 합성한 신조어이다. 즉, 현실을 디지털 기반의 가상 세계로 확장해 가상공간에서 모든 활동을 할 수 있는 시스템을 의미한다. 실제로 메타버스의 개념은 단순한 이론적인 존재를 넘어, 현재 다양한 플랫폼과 서비스에서 구현되고 있으며, 그 활용 사례는 계속해서 확장되고 있다.  이러한 메타버스를 주도하고 있는 주체가 바로 IT 기업들이다. 많은 기업이 메타버스의 무한한 잠재력을 인지하며, 이를 중심으로 연구와 개발에 집중하고 있다. 특히 사용자의 몰입도와 현실감을 극대화하는 것이 주요 연구 주제로 부상하고 있다. 단순한 시각적 연구를 넘어서 청각적 연구도 큰 비중을 차지하게 되었는데, 이는 현존하는 오디오 기술의 한계를 인식하기 때문이다. [그림 1] 애플의 Vision Pro (왼쪽)과 메타의 Meta Quest3 (오른쪽) 기존의 오디오 기술은 메타버스에서 원하는 수준의 몰입도와 현실감을 제공하기에는 한계가 있다. 이는 사용자 주위에 다양한 환경과 물리적인 특성들을 반영하기 어려워, 사용자들에게 초실감 오디오를 제공하는 데 어려움이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 많은 IT 기업이 초실감 오디오를 위한 연구개발을 진행 중이며 이에 대한 중요성을 강조하고 있다.  특히, 최근 애플은 메타버스와 유사한 개념인 공간 컴퓨팅(spatial computing)을 위한 HMD(Head Mounted Display) 기기인 Vision Pro를 공개하였고 자사 제품에서 제공되는 새로운 오디오 솔루션인 오디오 레이트레이싱(audio raytracing)을 지원한다고 발표하였다. 메타도 최근 혼합현실(Mixed Reality)을 위한 HMD로서 Meta Quest3를 발표하였고 해당 제품 또한 초실감 오디오를 강조하였다[1, 2]. 이처럼 메타버스의 성공은 단순히 시각적인 경험을 넘어서, 청각적인 경험 또한 중요한 부분을 차지한다. 현실 세계의 모든 물리적인 특성과 상호작용을 디지털 환경에서 재현하기 위해서는 사운드 기술의 혁신이 필요하다. 최신의 IT 기기들이 초실감 오디오 기술을 강조하는 것 역시 이러한 트렌드의 반영이다. 본 기사에서는 오디오 기술의 동향과 최신 오디오 기술인 Geometric Acoustic (GA) 기반 사운드 트레이싱을 살펴보고, 본 연구팀에서 개발한 저전력/고성능을 위한 사운드 트레이싱 하드웨어를 소개한다. 2. 오디오 기술 동향 현재 사용되고 있는 오디오 기술은 크게 3가지로 나눠진다: 멀티채널 오디오 (Multi-channel audio), HRTF (Head-Related Transfer Function), 사운드 렌더링 (Sound Rendering).  [그림 2] 7.2 멀티채널 오디오 예시 (front left (FL), front right (FR), center (C), surround left (SL), surround right (SR), front presence L (FPL), front presence right (FPR), subwoofer (SW) * 2) [3] 멀티채널 오디오는 다양한 스피커들을 활용하여 청취자 주변에 입체적인 소리를 제공하는 기술이다. 5.1, 7.1 혹은 그 이상의 채널을 활용하여, 청취자는 실제 환경과 같은 소리의 방향성을 경험할 수 있다 ([그림 2] 참조). 영화관, 홈시어터 등에서 이 기술을 활용하여 청취자에게 깊은 몰입감을 제공한다. Dolby나 Auro3D와 같은 오디오 전문 회사들이 이러한 방식을 채택하여서 사용자들에게 제공하고 있다.  하지만 메타버스 환경에서는 이 방식이 몇 가지 한계를 가진다. 첫째, 멀티채널 사운드를 경험하려면 특정 형식을 지원하는 스피커를 별도로 구매해야 하고, 그 설치를 위한 공간도 필요하다. 둘째, 스피커의 위치가 정해져 있어 사용자의 위치나 방향이 바뀜에 따라 소리를 다시 조절해야 한다. HRTF는 음원(sound source)의 방향에 따른 소리의 진폭(amplitude)을 정확하게 재현하기 위해 사용되는 기술이다. 인간의 귀와 머리의 형태는 소리가 어떻게 들려오는지에 큰 영향을 미치는데, HRTF는 이런 특징을 이용한다. 이를 구현하기 위해서는 음원의 방향에 따른 소리의 감쇄 값(attenuation) 테이블이 필요하다. 이는 실제 무향실에서 스피커와 사람의 머리와 귀의 형태를 모방한 마이크를 사용하여 다양한 방향에서의 주파수 대역별 감쇄 값을 측정하여 생성한다.  [그림 3] HRTF 처리 방식의 예시 [그림 3]은 HRTF 처리 방식을 보여주고 있다. 만약 음원으로부터 귀까지의 방향이 정해지면, 방향에 따라서 주파수 대역별 감쇄 테이블로부터 감쇄 값을 가져온다. 그 후 음원 데이터와 감쇄 값의 콘볼루션 연산을 통해 최종 오디오를 생성한다. 해당 방식은 방향에 따른 감쇄를 주파수 대역별로 가지고 있기 때문에 사람들에게 높은 오디오 퀄리티를 제공 해줄 수 있다.  그러나, 사람마다 머리와 귀의 크기와 형태가 전부 상이하기 때문에 일관된 경험이 어렵고, 음원의 개수가 많아졌을 때 계산 복잡도가 올라가 애플리케이션 성능에 문제가 생긴다. 게다가, 방향에 특화된 방식이기 때문에 실제 물리적인 소리 효과를 반영하지 못한다. 마지막으로, 사운드 렌더링은 음원을 생성하는 음원 합성 단계, 소리의 파형을 모델링하는 사운드 전파 단계, 최종 오디오 시그널을 생성하는 사운드 생성 단계를 거쳐서 청취자 주위에 물리적인 소리 효과들을 계산하여 현실적인 소리를 만들어 내는 기술이다. 즉, 청취자, 음원, 주변 환경(재질, 차폐, 방 크기 등)들과의 상호작용을 전부 고려하여서 현실과 같은 물리적인 소리가 만들어진다. 이 중 핵심 단계는 소리의 파형을 모델링하여서 청취자 주위에 물리적인 환경을 반영하게 해주는 사운드 전파이다. 이는 일반적으로 wave 기반 방식과 geometric acoustic (GA) 기반 방식으로 나뉜다. Wave 기반 방식은 2차 편미분 방정식(second-order partial differential equation)으로 이루어진 파동방정식을 풀면서 실제 소리 파형을 그대로 구현하는 방식이다. 이는 매우 정확하게 현실과 같은 소리가 가능하지만 엄청난 컴퓨팅 비용을 필요로 한다. 이러한 이유로 실시간(real-time rates) 처리를 필요로 하는 메타버스와 같은 콘텐츠에서는 사용이 불가하다. 반면에 GA 방식은 소리의 파동을 직접적으로 모델링하는 대신 ray, beam, frustum 등을 이용하여서 음원, 청취자, 그리고 씬의 기하학적 정보 (geometry information of scene) 사이에 유효한 경로(path)들을 찾는 것이다. 해당 경로들은 소리를 생성하기 위한 여러 매개변수(parameters)를 만드는데 기여한다. 예를 들어, 소리의 방향, 소리의 속도, 소리의 딜레이, 차폐 여부, 주파수 밴드에 따른 감쇄 등이 있고 이들은 Impulse Response (IR)이라는 형태로 압축되어 저장된다. 이와 같은 정보들은 최종적으로 스피커나 이어폰과 같은 end-point device에서 출력될 소리를 형성하는 데 사용된다.  GA 방식은 wave 방식보다 상대적으로 대략적인(approximately) 방식이지만 더 좋은 성능을 제공하여서 메타버스와 같은 실시간 애플리케이션에 적합하다. 본 연구팀은 레이 트레이싱(ray tracing)을 이용한 GA 기반 사운드 전파 방식을 오랫동안 연구해 왔으며, 이를 사운드 트레이싱(sound + ray tracing = sound tracing)이라고 명명했다. 이하 본문에서는 사운드 전파를 사운드 트레이싱(혹은 sound tracing)이라고 표기한다. 3. Ray를 이용한 사운드 트레이싱 [그림 4] 시간에 따른 다양한 소리 효과들의 amplitude (direct sound, ER, LR) 사운드 트레이싱은 ray를 이용해 다양한 소리 효과를 만들 수 있다. [그림4]는 시간에 따라서 소리 효과들(direct sound, early reflection (ER), late reverberation (LR))의 amplitude 특성을 보여준다. Direct sound는 음원으로부터 청취자까지 직접 오는 소리이며 음원과 청취자 사이에 방향과 거리에 따른 높은 기여도를 가지고 다른 효과들에 비해서 상대적으로 amplitude도 매우 크다. ER은 직접음이 도착한 이후에 들어오는 반사음(echo)이며, 일반적으로 직접음 ~ 60ms의 사이의 딜레이를 충족하는 반사음들로 ER이 정의된다. 이는 오브젝트들과의 반사로 인해 상대적으로 작은 amplitude를 가지지만 direct sound의 amplitude를 보강할 수 있고 소리를 좀 더 명료해지게 만든다.  마지막으로 LR은 잔향음 (2차 반사음)으로 초기반사음 이후에 들어오는 반사음들을 의미한다. 현실에서 콘서트홀이나 연주회장 같은 곳에서 울림소리를 들을 수 있는데 이와 같은 소리가 바로 잔향음이다. 이는 소리를 더 풍부하게 만들어 주고 청취자에게 주변 공간의 크기, 재질, 반사율 등을 어느 정도 인지하게 만들 수 있다.  이와 같은 다양한 소리 효과들이 생성되어야만 현실과 유사한 소리를 생성해 낼 수 있는데, 이들은 ray를 이용한 사운드 트레이싱을 통해 실현할 수 있다. 이 방법은 레이 트레이싱과 매우 유사하다. 레이 트레이싱은 빛이 여러 방향으로 발사되어 다양한 객체와 상호작용하여, 최종적으로 우리 눈에 반사되어 오는 빛의 색상을 계산한다. 이와 마찬가지로 사운드 트레이싱은 음원으로부터 발사되는 ray(소리)가 여러 방향으로 퍼져나가고 주변 환경과 상호작용하게 되어 최종적으로 우리 귀로 들어오게 되는 소리를 찾는 것이다. [그림 5] 사운드 트레이싱 path의 종류 [그림 6] 사운드 트레이싱 SW 모바일 데모 사운드 트레이싱의 처리 방식은 다음과 같다. 먼저 다수 개의 음원의 위치에서 ray를 슈팅하고 청취자 위치에서 ray를 슈팅한다. 슈팅 된 각각의 ray는 자신과 hit 된 primitive(예, triangle)를 찾고, hit 된 primitive에 대하여 반사, 투과, 회절에 해당하는 ray를 생성한다. 이와 같은 처리는 ray의 생성, 탐색, 충돌검사라고 명명한다. 이러한 과정이 재귀적(recursive)으로 수행되면서 사운드 트레이싱 path의 IR과 잔향의 IR를 만든다. 음원(혹은 청취자)에서 슈팅 된 ray가 청취자(혹은 음원)와 만나게 될 수 있으며, 만나게 되는 path를 사운드 트레이싱 path라고 한다. 이는 결국 음원(혹은 청취자) 위치에서 출발한 sound가 그림 5와 6과 같이 반사, 투과, 흡수, 회절 등을 거쳐서 청취자(혹은 음원)에 도착하는 유효한 path를 의미한다. 이러한 사운드 트레이싱 paths를 기반하여 IRs들이 계산된다. 사운드 트레이싱은 잔향을 생성하기 위한 모델로서 Eyring model[4]을 이용하는데, 이는 음원의 intensity가 얼마나 떨어져야 하고 얼마 동안 잔향이 생성되어야 하는지를 계산할 수 있다. Eyring model을 사용하기 위해선 필요한 몇 가지 매개변수들을 필요하며 대표적으로 공간의 넓이와 부피, 표면의 평균 흡수 계수 등이 있다. 이러한 매개변수들을 구하기 위해 음원과 청취자로부터 슈팅되어 hit 된 primitive들이 이용된다. 계산된 매개변수들은 IR로 압축되어 저장된다. 최종 오디오는 사운드 트레이싱 paths로 생성된 IRs과 잔향의 IRs을 이용하여서 생성되어 스피커나 헤드셋을 통해 출력된다. 사운드 트레이싱은 초실감 메타버스에 적합한 오디오 기술이지만 몇 가지 단점들이 있다. 첫째, 많은 컴퓨팅 자원을 필요로 한다. 이로 인해 다른 중요한 작업들(예, 그래픽 프로세싱)에게 영향을 미치면 애플리케이션 전반적으로 문제를 야기할 수 있다. 둘째, 너무 많은 전력이 소비된다. 소비 전력이 크다면 모바일 같은 환경에선 쓰로틀링¹ (throttling) 현상이 생기고 이는 성능 저하로 직결된다. 마지막으로, 음원의 개수가 많아졌을 때 사운드 트레이싱의 컴퓨팅 복잡도가 올라가서 실시간 처리를 위한 성능(예, 30 FPS or 60 FPS)까지 나오지 않는다. 본 연구팀은 이러한 문제들을 해결하기 위해 사운드 트레이싱을 가속하기 위한 별도의 전용 하드웨어를 설계 및 구현하였다. 이를 통해 저전력/고성능을 달성했을 뿐만 아니라 fully dynamic scene²까지 지원하여서 메타버스 환경에서 안정적으로 고품질의 오디오 경험을 제공할 수 있다. ¹쓰로틀링(throttling): CPU나 GPU가 지나치게 과열되는 현상을 막기 위해 클록과 전압을 강제적으로 낮추거나 전원을 꺼서 발열을 줄이는 기능. ²다이나믹 씬(dynamic scene): 시간에 따라서 혹은 사용자의 상호작용에 반응하여 변환하는 객체들을 포함하는 환경. 4. 본 연구팀의 사운드 트레이싱 하드웨어 사운드 트레이싱 하드웨어는 ray tracing 하드웨어를 기반으로 한 기술이기 때문에 기술의 난이도가 매우 높으며, 전 세계적으로 개발된 사례가 없다. 본 연구팀은 20여 년간 레이 트레이싱 하드웨어에 대한 연구개발 노하우를 기반으로 사운드 트레이싱 하드웨어를 설계 및 구현하였다[6, 7].  [그림7]은 사운드 트레이싱 IP³가 구현되어 있는 Xilinx 보드, Host(예, PC, mobile device), 그리고 Xilinx 보드와 Host를 통신하기 위한 FMC 보드를 보여준다. 사운드 트레이싱 하드웨어는 호스트로부터 USB3.0을 통해 geometry data, 음원 데이터, 가속 구조체⁴ 정보 등을 받고 나서 하드웨어 시작 신호를 받으면 사운드 트레이싱 처리를 담당하는 sound tracing unit이 시작된다. [그림 7] Sound tracing 하드웨어는 sound tracing IP가 들어가 있는 Xilinx Virtex Ultrascale과 호스트와 연결하기 위한 FMC 보드로 구성되어 있고 USB 3.0을 통해 호스트 데이터를 주고받음. [그림 8] 본 연구팀이 설계한 sound tracing unit의 전체 아키텍처  [그림8]은 본 연구팀이 설계한 sound tracing unit의 전체 아키텍처를 보여준다. 이는 ray processing과 sound processing으로 나뉜다. Ray processing은 레이 트레이싱을 담당하는 units 들로 ray의 생성, 탐색, 교차 테스트 등을 담당한다. 반면에, sound processing은 소리를 생성할 수 있는 유효한 경로들을 찾는 units 들로 ray processing에 의해 찾아진 primitive들이 어떤 타입(반사, 회절 등)의 paths를 생성할 수 있는지, 유효한 경로들인지에 대한 검증, 찾아진 유효한 경로들에 대한 IRs 계산 등을 수행한다. 표1. CPU 방식과 사운드 트레이싱 하드웨어 음원 개수별 성능 비교 본 연구팀은 사운드 트레이싱 FPGA(140MHz)의 성능을 측정하기 위해 그래픽스 분야에서 많이 사용되는 Sibenik (79,000개 triangles, indoor) 씬에서 CPU (i9-10850k 3.6GHz) 가속 방식의 사운드 트레이싱과 비교하였다. 실험은 음원의 개수를 늘려가면서 사운드 트레이싱의 평균 frame time (처리 속도)을 측정하였다. 결과적으로 사운드 트레이싱 FPGA의 성능이 CPU 가속 방식보다 평균 3.85배 빠르게 처리되었다. 본 연구팀이 사운드 트레이싱 ASIC⁵의 성능을 알아보기 위해 PPA (performance, power, area) 지표를 이용하여 측정하였다. 이 지표는 ASIC의 성능, 전력, 면적을 평가하는 요소로서 반도체 설계 분야에서 널리 쓰이고 있다. 본 연구팀은 해당 지표를 측정하기 위해 8nm 설계 공정과 디자인 컴파일러 툴을 활용하였다. 결과적으로 사운드 트레이싱 ASIC의 PPA는 900MHz 성능, 50mW 전력, 0.31mm² 사이즈를 보여주었다. ASIC의 성능은 FPGA 성능보다 약 6.42배 높아지는 것이고, ASIC의 전력은 i9-10850k(125W)와 비교하면 많은 차이를 보이며, ASIC의 사이즈는 최근 모바일 AP의 사이즈가 100 mm²을 넘어가는 것을 감안하면 매우 작은 것을 알 수 있다[5]. 이러한 결과는 본 연구를 통해 개발된 사운드 트레이싱이 성능, 전력 소모, 크기 면에서 우수성을 검증하였으며 초실감 메타버스를 위한 실시간 3D 오디오를 실현이 충분하다는 것을 보여주었다. ³IP(Intellectual Property): 특정 기능을 수행하는 회로 설계와 관련된 지적 재산을 의미. ⁴가속구조체(Accleration Structure (AS)): 3D 공간을 효율적으로 분할하여 트리 형태로 저장하고, 이를 이용하여 ray와 객체들 간의 교차점을 효율적으로 찾게 도와줌. ⁵ASIC(Application-Specific Integrated Circuit): 특정 응용프로그램이나 기능을 위해 맞춤 설계된 직접 회로 (반도체).  5 결론 메타버스에 대한 전 세계적인 관심이 급증함에 따라, 사용자의 몰입도를 극대화하기 위한 연구와 개발 노력이 증가하고 있다. 특히, 청각적인 요소는 사용자 경험에 있어 중요한 역할을 차지하며, 사운드 렌더링은 이러한 몰입도를 높이는 데에 있어 핵심적인 기술로 부상하고 있다. 기존의 오디오 처리 방식들은 몰입도를 높이는 한계가 있지만 사운드 렌더링은 높은 몰입도와 현실감을 가진 오디오 경험을 제공한다. 그러나 해당 방식은 높은 계산 비용을 수반하여 이를 실시간으로 처리하기 어렵다. 본 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 수십 년에 걸친 레이 트레이싱 하드웨어 개발 경험을 바탕으로 고성능 사운드 트레이싱 하드웨어를 설계 및 구현하였다. 이 하드웨어는 기존 CPU 방식보다 평균 3.85배 빠른 처리 속도를 보여주며, 성능, 전력 소모, 크기 면에서도 매우 우수하다. 특히, 사운드 트레이싱 ASIC의 성능은 FPGA보다 약 6.42배 높아, 초실감 메타버스 환경에서 실시간 오디오를 제공하는 데 충분하다. 이러한 성과를 바탕으로, 본 연구팀의 사운드 트레이싱 하드웨어는 초실감형 메타버스와 같은 고성능 오디오 처리가 필요한 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공할 수 있는 기반이 될 것이다. 연구팀의 노력과 혁신을 통해 더욱더 현실적이고 몰입감 있는 메타버스 환경이 가능하다. 참고문헌 [1] https://www.wepc.com/tips/apple-audio-ray-tracing-explained/ [2] https://about.fb.com/news/2023/09/meet-meta-quest-3-mixed-reality-headset/ [3] https://manual.yamaha.com/av/18/rxv685/en-US/448935819.html [4] Carl F Eyring. 1930. Reverberation time in “dead” rooms. The Journal of the  Acoustical Society of America 1, 2A (1930), 217–241. [5] https://www.anandtech.com/show/16983/the-apple-a15-soc-performance-  review-faster-more-efficient/3 [6] Eunjae Kim, Sukwon Choi, Jiyoung Kim, Jae-ho Nah, Woonam Jung, Tae-hyeong Lee, Yeon-kug Moon, and Woo-chan Park, "An Architecture and Implementation of Real-Time Sound Propagation Hardware for Mobile Devices," SIGGRAPH ASIA, Accepted to appear. [7] Eunjae Kim, Sukwon Choi, Cheong Ghil Kim, and Woo-Chan Park, "Multi-Threaded Sound Propagation Algorithm to Improve Performance on Mobile Devices," Sensors, Vol. 23, No. 2, p. 973. Jan 2023. 다음글 원전 해체 발생 방사성 폐액 처리 성능 향상을 위한 친환경 바이오 소재 공정 개발 이전글 3D 프린팅 잉크와 줄기세포를 활용한 인공 심장 개발의 현황 (The Frontier of Artificial Cardiac Development Using 3D Printing Ink and Stem Cells) 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 3D 프린팅 잉크와 줄기세포를 활용한 인공 심장 개발의 현황 (The Frontier of Artificial Cardiac Development Using 3D Printing Ink and Stem Cells) 2024-01-23 hit 741 3D 프린팅 잉크와 줄기세포를 활용한 인공 심장 개발의 현황 (The Frontier of Artificial Cardiac Development Using 3D Printing Ink and Stem Cells) 바이오융합공학전공 이길용 교수 1. 서론 (introduction) 3D 프린팅 기술은 최근 제조업, 건축, 항공우주 산업 등 광범위한 분야에서 큰 변화를 이끌었습니다. 이 중에서도 특히 의료 분야에서의 그 영향력은 매우 두드러지며, 맞춤형 의료 솔루션의 개발, 질병 진단 및 치료 방법의 혁신, 그리고 인공 장기 제작에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 그 가능성을 입증하고 있습니다. 인공 장기 개발 분야에서 3D 프린팅 기술, 특히 바이오프린팅 기술은 신체 조직과 유사한 구조를 만들어낼 수 있는 가능성으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 이 3D바이오 프린팅 기술로 도래 되는 인공장기 제작은 장기 기증과 관련된 제약을 극복하고, 맞춤형 치료법을 제공하여 환자의 삶의 질을 개선할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.  3D바이오프린팅은 생체 호환성이 높은 재료로 만들어진 바이오잉크를 사용하여 세포, 단백질 및 기타 생물학적 요소들을 층층이 쌓아 올려 실제 인체 조직과 유사한 구조를 만들어냅니다. 이 과정에서 중요한 것은 바이오잉크의 선택입니다. 바이오잉크는 세포의 생존과 성장, 그리고 조직 형성에 필수적인 환경을 제공해야 하며, 동시에 인쇄 과정에서 안정적인 구조를 유지할 수 있는 기계적 특성도 가져야 합니다. 전 세계 연구자들은 다양한 자연적 또는 합성 재료를 바탕으로 한 바이오잉크를 실험하고 있으며, 이 잉크들은 세포를 지지하고, 세포에 영양분을 제공하며, 적절한 세포 간 상호작용을 촉진하는 등의 다양한 역할을 합니다. 하지만 3D 프린팅을 이용한 인공 장기 개발은 단순히 바이오잉크를 선택하고 인쇄하는 것 이상의 복잡한 과정을 포함합니다. 이 기술은 세포 생물학, 재료 과학, 기계 공학, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야의 지식과 기술이 통합된 결과이며, 해당 분야의 전문가들의 활발한 연구가 진행중입니다. 세포를 적절한 위치에 정밀하게 배치하고, 생체 구조와 기능을 반영하여야 하며,  복잡한 인체 조직의 3차원 구조를 성공적으로 재현하기 위해서는 고도의 설계와 계획, 그리고 테스트가 필요합니다.  더 나아가, 인공 장기가 실제 임상에서 사용되기 위해서는 생체 호환성, 장기 기능성, 안전성 등 여러 면에서 철저한 검증이 이루어져야 합니다. 이는 장기의 생존 기간, 기능 유지, 면역 반응 등을 포함한 다양한 요소를 고려해야 하는 매우 복잡한 과정입니다. 따라서 임상 적용을 위해서는 장기의 장기간 생존과 기능을 검증하는 임상 시험, 그리고 규제 기관의 승인이 필요합니다.  이처럼 3D 프린팅을 이용한 인공 장기 개발은 매우 복잡하고 다학제적인 분야이며, 아직 많은 연구와 발전이 필요한 상태입니다. 하지만 이 기술이 가지고 있는 잠재력은 무궁무진하며, 앞으로 수십 년 동안 의료 분야에서 가장 주목받는 것으로 예상됩니다. 관련 연구의 진전과 함께, 이 기술은 장기 이식을 필요로 하는 환자들에게 새로운 희망을 제공하고, 맞춤형 의료 솔루션의 발전을 촉진하여 전반적인 의료 서비스의 질을 개선할 것으로 기대됩니다.   3D 프린팅 잉크를 활용한 인공장기 개발에서 줄기세포와 바이오잉크의 중요성은 상당하며, 이 두 요소는 현대 조직 공학과 장기 재생 분야에서 중추적인 역할을 하고 있습니다.   Figure 1. 3D 조직 바이오 프린팅을 위한 일반 적인 과정. 단계1. 바이오 프린팅된 조직의 디자인을 구축하는데 필요한, 손상된 조직과 그 환경의 이미징. 단계2. 생체 모방, 조직 자체 조립 및 미니 조직 빌딩 블록을 단독 또는 다양한 조합을 통한 조직 디자인. 단계3,4.  조직의 형태와 기능에 필수적인 생체재료와 세포의 선택. 일반적으로 해당 재료에는 합성 또는 자연 폴리머와 탈세포화 세포외기질이 포함됨. 단계 5. 이러한 구성 요소는 잉크젯, 마이크로 압출 또는 광경화 보조 프린터와 같은 바이오 프린팅 시스템과 통합되어 프린팅. 단계 6. 일부 조직은 이식 전에 성숙 기간이 필요하며, 대안적으로 3D 조직은 신약개발 및 개인화약물을 개발을 위한 체외 진단을 응용을 위해 사용될 수 있음 (1). 2. 줄기세포 (Stem cells)  세포 기반 인공 심장 제작에서 줄기세포의 역할은 매우 중요하며, 재생 의학 및 조직 공학의 혁신적인 발전을 가능하게 할 수 있습니다. 줄기세포는 다양한 심장 세포 유형으로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 이는 심장 조직의 복잡한 구조를 재현하기 위해 필수적입니다. 환자의 체세포로부터 유도된 iPSCs는 환자 특유의 유전적 및 생물학적 특성을 가지고 있어, 제작된 인공 심장이 환자의 신체와 더 잘 호환될 가능성을 높이고, 이식 후 거부 반응과 합병증의 위험을 감소시킬 수 있습니다. 또한, 줄기세포는 자가 복구 및 재생 능력을 가지고 있어, 인공 심장 내에서의 세포 손상이나 기능 손실을 보완할 수 있으며, 이는 인공 심장의 수명과 기능을 향상시킬 수 있습니다. 3D 바이오 프린팅 기술과 결합하여, 줄기세포는 정밀하게 설계된 심장 조직을 형성하는 데 사용될 수 있으며, 이 과정에서는 줄기세포가 적절한 구조와 환경에 배치되어 자라나며, 최종적으로 기능하는 심장 조직을 형성하게 됩니다.  줄기세포로부터 유도된 심장 세포는 질병 모델을 구축하고 신약의 효과 및 안전성을 평가하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 특히 심장 질환의 병리를 이해하고 새로운 치료법을 개발하는 데 중요합니다. 또한, 유도 만능성 줄기세포(iPSCs)의 사용은 윤리적 논란이 적고, 환자 자신의 세포로부터 쉽게 얻을 수 있어, 심장 조직 공학에 있어 선호되는 세포 소스가 되고 있습니다. 신약 개발 관점에서 동물 모델은 다양한 질병의 검증에 중요한 역할을 해왔습니다. 모든 안전성 및 효능 매개변수는 사람 대상 첫 임상 시험 시작 전에 동물에서 계속 테스트됩니다. 하지만, 연구 및 약물 개발에서 동물 모델의 중요성에도 불구하고, 동물과 인간의 생리 및 병리 생리학 사이의 불일치는 임상 연구에서 80% 이상의 약물테스트를 통과하지 못하고 있습니다. 따라서 동물 모델은 인간 체계에 존재하는 복잡성이나 병리학적 다양성을 반영하는 데 실패했으며, 이는 임상 성공을 제한하고 있습니다. 배아 발달 중에는 인간과 동물 사이에서 조직 형태 생성의 패턴과 시기에 현저한 차이가 있습니다. 예를 들어, 쥐와 인간 사이의 줄기 세포 표면 마커 집합체의 차이는 세포 조직의 운동성과 증식에서 주요 차이를 야기합니다. 따라서 인간 모델 사용이 인간의 장애 대한 분자생물학적 메커니즘을 밝히고 대상 치료법 개발에 있어 더 신뢰성 있게 여겨지고 있습니다.   다기능성 줄기세포(pluripotent stem cells, PSCs), 예를 들어 인간 내세포질 배아줄기세포(embryonic stem cells, ESCs)와 유도만능성 줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs)의 발견은 인간 다양한 장기의 형성과 선천성 및 성숙한 심장 질환의 기반을 연구하는데 혁명적인 도구로 등장했습니다. 특히, iPSC 기술은 윤리적인 문제를 해결하여 더욱 정확한 질병 모델링 플랫폼을 개발하는 데 기여했습니다. 또한, iPSC에서 유래된 다양한 세포(iPSC-CMs)와 유전체 편집 접근법을 사용하여 다수의 단일유전질 및 복잡한 병리학이 체외 (in-vitro)에서 연구되어, 질병 메커니즘에 대한 새로운 관점을 제공하고 있습니다. 특히, 심장부분의 iPSC에서 유래한 세포 유형, 예를 들어 iPSC에서 유래된 내피세포(iPSC-ECs), iPSC에서 유래된 심장 섬유아세포(iPSC-CFs), 그리고 iPSC에서 유래된 평활근세포(iPSC-SMCs)의 사용은 심장 모델의 세포 다양성을 크게 풍부하게 하며, 성인 심장과 같은 특성의 생리학적 성숙과 재현이 가능합니다.   줄기세포를 활용한 세포 기반 인공 심장 제작은 여전히 활발한 연구가 진행 중인 분야이며, 이 기술이 임상에 적용되기까지는 여러 과학적, 기술적, 규제적 장벽을 극복해야 합니다. 하지만, 그 잠재력은 엄청나며, 향후 심장 질환 치료에 혁명을 가져올 수 있는 가능성을 지니고 있습니다. Figure 2 다기능성 줄기세포 (IPSC) 심장 세포로 유도하기 위한 세포 분화 방식. 특정 세포 형태 발생 및 그 정체성을 유도하는 주요 요인은 발달 경로 (세포 신호)에 표시하였음. 대부분의 경우, 모든 심장 세포 하위 유형은 줄기세포에서 발생하는 중배엽내피 조상 세포(KDR [kinase insert domain receptor] 및 MESP1 [mesodermal posterior 1])에서 기원함. 이후 Wnt 조절은 심근세포(CMs), 내피를 생성하는 데 이르게 하며, 특정 심실의 근육세포 유형은 골 형성 단백질(BMP)과 레티노산(RA) 매개 NOTCH 신호 활성화를 통해 얻어지며, 평활근 세포와 주위 세포는 측판 중배엽(LPM)과 축배엽(PM)에서 발달함. 심장의 섬유아세포는 심장 외피와 중배엽 조상 세포에서 유래하며, APS는 전방 원시 줄기를 나타내며; ESC는 배아줄기세포; ETV2는 ets 변형 전사 인자 2; FGF는 섬유아세포 성장 인자; IFN은 인터페론; IL은 인터류킨; SAN은 방실결절; TPO는 혈소판 생성 인자; VEGF는 혈관 내피 성장 인자를 나타냄 (2). 3. 바이오 잉크 (Bio-ink) 줄기세포 기반 3D 바이오 잉크 개발은 현대의 조직 공학과 재생 의학에서 가장 앞선 연구 분야입니다. 이 기술은 인간 조직과 장기를 모방하고 재생하는 데 필수적인, 혁신적이고 복잡한 과정을 포함하고 있습니다. 세포 기반 인공 심장 제작을 위한 바이오잉크의 역할은 매우 중요하며, 다차원적인 접근을 필요로 합니다. 바이오잉크는 세포를 특정 위치에 정밀하게 배치하고, 심장 조직의 복잡한 3차원 구조를 형성하는데 사용됩니다. 이는 심장의 다양한 기능적 영역을 모방하는 복잡한 조직을 구축하는 데 필수적입니다. 제공하는 생체 호환성 환경은 세포의 생존, 성장, 분화를 촉진하여 자연스러운 상태에서 심장 세포가 기능을 수행하도록 지원하며, 이는 인공 심장의 전반적인 기능성과 수명에 영향을 미칩니다. 또한, 바이오잉크는 인쇄 과정에서 안정적인 구조를 유지하며, 인공 심장이 실제 심장과 유사한 기계적 강도와 탄력성을 가질 수 있도록 하는 기계적 속성을 조절할 수 있게 합니다. 이는 심장의 전기적 특성과 혈류 동력학을 모방하는 생물학적 신호를 제공하는 데도 중요하며, 이러한 멀티셀룰러 (multi-cellular) 시스템의 구축은 심장의 복잡한 기능을 더 정확하게 모방하며, 질병 모델링 및 약물 반응 테스트에도 사용될 수 있어, 심장 질환의 병리학적 특징을 모방하고 신약의 효능과 독성을 효과적으로 평가할 수 있습니다. 바이오잉크의 지속적인 개발과 혁신은 심장 조직 공학의 중심에 서 있으며, 생체 호환성, 기계적 특성, 세포 지지 능력 등을 최적화하기 위해 다양한 종류의 바이오잉크가 개발되고 있습니다. 이러한 연구와 발전은 심장 질환 치료와 재생 의학에 중요한 진보를 가져올 것으로 기대되며, 미래의 의료 혁신에 중요한 기여를 할 것입니다. 바이오잉크는 또한 다양한 세포 유형과 조직의 복잡한 상호작용을 지원하기 위해 다양한 화학적 구성과 물리적 특성을 가질 수 있어야 합니다. 이는 심장의 복잡한 생리학적 및 기능적 요구를 충족하는 것을 목표로 합니다. 심장 조직의 다양한 부분, 예를 들어 심근, 심장 판막, 관상 동맥 등은 서로 다른 기계적 강성과 생물학적 신호가 필요하며, 바이오잉크는 이러한 요구를 만족시킬 수 있어야 합니다. 더불어, 바이오잉크의 발전은 또한 체외에서의 심장 조직 배양과 관련된 기술적 도전을 극복하는 데 중요합니다. 세포가 적절하게 분화하고 성숙하여 실제 심장 조직과 유사한 기능을 수행하도록 하기 위해서는, 바이오잉크 내에서의 적절한 세포 배치, 영양 공급, 산소 전달 및 폐기물 제거 등의 문제를 해결해야 합니다. 이러한 조건을 충족시키는 바이오잉크의 개발은 심장 조직 공학의 성공에 결정적입니다. 바이오잉크는 세포 기반 인공 심장 제작에 있어 필수적인 구성 요소로, 그 기능과 발전은 심장 조직의 성공적인 재현과 임상적 적용 가능성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 분야의 지속적인 연구와 개발은 향후 인공 심장 제작의 효율성과 효과를 크게 향상시킬 것으로 기대됩니다. 4. 3D 프린팅 및 잉크 기반 심장 조직 개발 (세종대학교-하버드대학교 공동연구) 심장 조직 내의 세포 내부 및 세포 간 조직은 조정된 전기기계적 결합과 심장의 효율적인 근육 수축을 촉진하는 데 도움을 줍니다. 이러한 조직된 구조를 달성하기 위해, 세포 외 기질(ECM) 단백질은 세포에 대한 위상적 및 생화학적 신호로 작용하며, 이는 조직 발달에 중요합니다. 이는 특히 심장에서 중요한데, 여기서 심장 조직의 계층적 조직이 필요하여 여기서는 흥분-수축 결합의 시공간 역학을 조절하고, 이로 인해 심장 주기가 발생합니다. 심장의 구조-기능 관계를 체외에서 재현하는 것은 상당한 도전을 나타냅니다. 이는 세포 규모와 거시적 장기 수준에서 조직 자체 조직화를 통제하는 것을 요구합니다. 심장 세포 조직을 복제하기 위한 노력으로, 연구자들은 마이크로 접촉 인쇄, 광리소그래피, 방향성 동결 건조, 섬유 스피닝 및 마이크로 생리학적 칩 제작을 통해 생체 고분자와 하이드로젤을 공학적으로 개발했습니다. 그러나 이러한 방법들은 복잡한 기하학을 가진 조직을 생산하는 능력이 제한되어 있으며, 심장 기능을 완전히 복제하는 데 한계가 있습니다. 특히, 3차원(3D) 기하학을 모방하는 장기 모델을 구축하기 위해서는 첨가제 제조 전략이 필요합니다. 특히, 3D 프린팅은 조직 모델을 공학하기 위해 점점 더 사용되고 있으며, 이는 인쇄 전에 3D 구조를 쉽게 디자인하고 편집할 수 있게 하고, 유연한 바이오 재료 잉크의 조성으로 복잡한 3D 구조를 제작할 수 있게 합니다. 이를 위해, 하이드로젤 기반 잉크나 인쇄 기술을 개발하기 위한 상당한 노력이 이루어졌습니다. 이러한 노력에는 복합 노즐 시스템을 사용한 다재료 잉크 인쇄, 광경화성 하이드로젤 인쇄, 점증제 추가 또는 희생지지재료 인쇄 등 3D 안정성과 형태 충실도를 향상시키는 것이 포함됩니다. 그러나 이러한 노력은 조직 자체 조직화와 정렬에 대한 제한된 통제를 제공합니다. 그 결과, 마이크로미터와 나노미터 규모에서 센티미터 규모로의 규모를 연결하여 공학적 심장 모델 내부의 세포 내부 및 세포 간 조직화를 유도하는 것은 기능성 장기 및 조직의 3D 프린팅에서 주요한 도전 과제로 남아 있습니다.  최근, 세종대학교와 하버드대학교와 공동연구를 통하여, 사전 제작된 미세 규모 섬유를 포함하는 3D 지지체를 인쇄하는 것이 심근세포가 심장 방을 형성하기 위해 자체 조직화할 수 있는 자기 지지형 지지체를 제공할 것이라고 가설을 세우고, 심장의 세포 외 기질(ECM) 네트워크에서 영감을 받아, 젤라틴 섬유를 젤라틴과 알지네이트(Gel-Alg) 하이드로젤 매트릭스에 주입하여 우리의 잉크를 설계했습니다 (그림 3). 셀룰로오스 나노섬유와 탄소 나노튜브와 같이 이전에 잉크에서 사용된 것과는 달리, 세포외기질 중 하나인 피브로넥틴(Fibronection)이 코팅된 젤라틴 섬유는 매트릭스-세포 부착을 촉진하는 아르기닌-글리신-아스파트산(RGD) 펩타이드 결합 도메인을 포함합니다. 또한, 나노 미세 섬유를 하이드로젤에 포함함으로써 잉크의 유변학적 성질을 변경하여, 지지 구조나 재료 없이도 정확하고 복잡한 3D 지지체를 만들 수 있었습니다. 본  연구진은 위상적 및 화학적 신호를 정렬된 젤라틴 미세섬유의 형태로 통합함으로써, 이런 방식으로 인쇄된 3D 심실 지지체가 심근세포의 이방성 근육 조직으로의 자체 조직화를 촉진할 것 하였습니다 (그림3).  Figure 3.  3D 프린트 된 조직 지지체에 대한 바이오 잉크. (a) 나노 섬유가 포함된 잉크 구성 요소 제작 방법. 파편화된 젤라틴 나노 섬유가 젤라틴-알지네이트 하이드로젤과 결합될 때 (빨강색은 세포외기질), 잉크 점도가 증가하며 고체 같은 행동을 나타내어, 계층적 구조를 가진 심실 지지체의 3D 프린팅을 가능함. (b) 3D 프린팅 도중에 나노 섬유 정렬은 3D 지지체에서 실제 ECM과 유사한 이방성 구조적 특징을 유도하여, 체내 심장 근육을 재현하기 위한 조직 정렬 및 조직화를 촉진. (c) 젤라틴 나노 섬유를 보여주는 주사 전자 현미경 이미지. 100 μm. (d) 바이오잉크에 나노 섬유가 포함되었을 떄 물성 비교. 나노 섬유가 포함되지 않았을 때는 프린팅이 불가능 한 낮은 점도의 액체 같은 행동을 나타냄. (e) 바이오 잉크의 물성 테스트, 농도 의존적이고 변형 의존적인 전단 액화 행동 및 솔-젤 전환을 나타냄. (f)  3D 도넛 형태의 프린팅 테스트5 mm. (g) 3D 프린팅을 통한 심장의 왼쪽 심실의 원추형 모델. 2 mm. (h) 3D 프린팅을 통한 주변 방향으로 인쇄된 자기 지지식 이중 심실 챔버와 심장 판막 및 대각선 (30°) 으로 기울어진 왼쪽 심실. (i) 3d프린트된 심실 지지체의 마이크로 컴퓨터 단층촬영 이미지로, 3D 프린트된 형상에서의 섬유 구조를 나타냄, 1 mm. (j) 3D 프린트된 심실 지지체의 주사 전자 현미경 이미지로 인쇄 방향의 섬유 정렬을 나타냄, 200 μm. k, 5 와 8 wt% 나노 섬유를 가진 3D 프린트된 심실 지지체의 공초점 이미지에서 섬유 정렬 분석, 그리고 해당 섬유 방향 각도 분포 그래프; 0°는 인쇄 방향(dir.)을 나타냄, 100 μm. (3) 5. 결론 및 향후 연구방향 3D 프린팅 잉크를 활용한 줄기세포 기반 인공 심장 개발은 의학과 생명 공학의 중요한 전진 영역이며, 연구의 방향을 설정함에 있어 다음과 같은 중요한 분야에 집중을 요구 합니다. 첫째, 바이오잉크의 고도화에 주목해야 합니다. 심장 조직의 복잡한 구조와 기능을 더욱 정확하게 모방하기 위해, 바이오잉크의 생체 호환성, 기계적 특성, 생물학적 기능을 개선하는 연구를 추진해야 합니다. 이는 재료 과학, 생화학, 세포 생물학 등 다양한 분야의 지식을 통합하고 새로운 소재와 기술을 탐색하는 데 기여할 수 있는 기회입니다. 둘째, 세포 분화 및 조직화 기술의 발전을 추구해야 합니다. 줄기세포가 특정 심장 세포 유형으로 효과적으로 분화하고 적절하게 조직화되어 실제 심장처럼 기능할 수 있도록 하는 기술의 발전이 필요합니다. 이는 세포 생물학, 생체 공학, 조직 공학의 교차점에 있으며, 여러분이 창의적이고 혁신적인 실험 설계와 분석을 통해 기여할 수 있는 분야입니다. 셋째, 인공 심장의 통합 및 시스템화에 대한 연구가 중요합니다. 심장의 다양한 기능적 측면을 모방하고 실제 생리적 조건에서의 성능을 평가하기 위해, 다양한 세포 유형, 신호 전달 경로, 그리고 기계적 구조를 포함하는 완전한 인공 심장 시스템의 개발을 추진해야 합니다. 이는 복잡한 시스템을 이해하고, 실제 적용 가능한 솔루션을 개발하는 데 중점을 둔 연구로 이어질 것입니다. 넷째, 인공 심장의 안전성과 효능을 평가하는 연구를 진행해야 합니다. 이는 임상적 적용 전에 필수적인 단계로, 잠재적인 부작용, 거부 반응, 장기간 기능 유지 등을 포함합니다. 임상 연구, 생물 통계학, 의료 윤리 등 다양한 분야의 전문 지식을 발휘할 수 있는 영역입니다. 다섯째, 줄기세포 기반 인공 심장 개발과 관련된 윤리적, 법적, 규제적 문제를 해결하기 위한 지속적인 연구가 필요합니다. 이는 학제간 협력과 깊은 윤리적 고민을 요구하는 분야로, 사회적, 법적, 윤리적 측면에서의 중요한 의사 결정에 참여할 수 있습니다. 마지막으로, 개인화된 치료법으로의 확장에 대한 연구를 강조해야 합니다. 각 환자의 유전적 및 생물학적 특성을 고려하여 개인의 심장 질환의 특성에 더 잘 맞는 맞춤형 인공 심장을 제작할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요합니다. 이는 정밀 의료의 전망을 향상시키고, 환자 맞춤형 해결책을 제공하는 데 기여할 것입니다. 이러한 연구 방향들은 줄기세포 기반 인공 심장 개발의 효과적인 진전을 위해 필수적이며, 여러분의 지식, 기술, 창의력을 발휘하여 심장 질환의 치료와 관리에 혁명을 가져올 잠재력을 가지고 있습니다. 본 연구실은 해당 연구와 혁신이 이 분야에서 집중에서 연구를 하고 있으며 중요한 발전을 이루기를 기대하고 있습니다.   참고문헌 1. 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Circulation 140, 390-404 (2019). 다음글 초실감 메타버스를 위한 궁극의 3D 오디오 기술: 사운드 트레이싱 (Sound tracing) 이전글 장주기 쌍성에서 발견된 뉴턴-아인슈타인 표준중력의 붕괴: 천체물리와 우주론에서의 과학혁명 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 장주기 쌍성에서 발견된 뉴턴-아인슈타인 표준중력의 붕괴: 천체물리와 우주론에서의 과학혁명 2024-04-05 hit 753 장주기 쌍성에서 발견된 뉴턴-아인슈타인 표준중력의 붕괴:  천체물리와 우주론에서의 과학혁명 물리천문학과 채규현 교수 1. 서론 및 뉴턴의 만유인력 법칙  지금까지 관측되어온 우주는 중력 시스템들의 계층 구조로 구성되어 있다. 지구는 지구 자체 중력에 의하여 유지되며, 달은 지구와의 상호 중력에 의하여 지구 주위를 공전하며, 행성 및 그 외 태양계 천체는 태양 중력의 지배적 영향 하에 태양 주변을 공전한다. 태양 및 수천억 개의 별들은 우리은하의 모든 구성 요소들의 총 중력의 영향을 받아서 각자 자신의 궤도를 따라서 공전한다. 우리은하와 그 외 셀 수 없이 많은 은하들은 광활한 우주 속에 존재한다. 일부 은하들은 은하군 또는 은하단 속에서 중력적으로 서로 상호 작용한다. 우주의 팽창 동역학(expansion dynamics) 또한 중력에 의하여 결정된다. 중력의 성질은 태양계 내 행성 운동들의 경험적 수학 법칙을 통하여 드러나기 시작하였는데, 행성 운동들의 실증적 수학 법칙은 요하네스 케플러가 티코 브라헤(Tyco Brahe)가 평생을 바쳐 축척한 데이터베이스를 분석하여 1609-1619년 기간 동안 발견하였다. 케플러의 법칙은 뉴턴의 만유 인력 법칙의 발견으로 이어졌다. 이 법칙은 매우 간단한데, 임의의 두 질량 요소가 두 요소 사이의 거리 제곱에 반비례하는 인력을 갖는다는 것이다. 뉴턴의 중력은 지구와 태양계, 심지어 우주 전체의 모든 중력 역학을 설명할 수 있는 것처럼 보였다. 당시에는 은하들과 우주 팽창이 알려지지 않았기 때문이다. 2. 강한 중력에서의 중력 변칙: 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 도래  19세기에 위르뱅 르 베리에(Urbain Le Verrier) 및 여러 천문학자들은 행성의 움직임을 연구하였다. 1859년 르 베리에는 태양 주변을 도는 수성 궤도의 세차(precession) 운동이 뉴턴의 태양 중력과 알려진 행성들에 의하여 가해지는 섭동(perturbations)들에 의하여 완벽하게 설명될 수 없다는 사실을 발견하였다. 이와 같은 중력 변칙은 (천왕성 궤도의 변칙은 해왕성 발견에 의하여 설명됨) 실제였으며 상대적으로 강한 중력에서 뉴턴의 중력이 붕괴한다는 것을 의미하였다.   중력 변칙은 결국 아인슈타인의 새 중력 이론인 일반 상대성 이론으로 이어졌고, 이는 아인슈타인의 역학 및 시공간에 대한 새로운 이론인 특수 상대성 이론과 모순이 없었다. 일반 상대성 이론은 1915년에 완성되었으며 그 이후로 중력에 대한 표준 이론으로 자리잡았다. 일반 상대성 이론은 중력 가속도가 약할 때, 즉 속도가 빛의 속도보다 훨씬 느린 비상대론적 한계에서 뉴턴의 중력 법칙과 일치한다. 그러므로, 우주의 비상대론적 중력 역학에 관한 한 뉴턴의 이론과 아인슈타인의 이론은 동일한 예측을 한다. 이와 같이 비상대론 영역에서 뉴턴-아인슈타인 표준 중력은 행성 운동, 은하계, 그리고 은하단들의 역학을 설명할 것으로 예상되며, 일반 상대성 이론은 우주의 시공간 구조와 역학 그리고 블랙홀 및 중력파와 같은 현상들을 추가적으로 설명할 수 있을 것으로 예상된다.  3. 약한 중력에서의 중력 변칙: 암흑 물질 또는 MOND?  1933년 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 코마(머리털 자리) 은하단은 뉴턴-아인슈타인 표준 중력에 의하여 설명될 수 없다는 사실을 발견하였다. 은하들의 궤도 운동이 너무나 빨랐기 때문이다. 그는 표준 중력이 은하들을 유지한다는 가정하에 은하단의 변칙적인 중력을 설명하기 위하여 암흑 물질을 뜻하는 독일 단어인 ‘dunkle Materie”를 처음으로 상정하였다.     1970년대에 베라 루빈(Vera Rubin)과 알베르트 보스마(Albert Bosma)를 포함한 천문학자들은 은하 중심으로부터 큰 반경까지의 은하 회전 곡선(galactic rotation curves )을 관찰하기 시작하였다. 은하 회전 곡선은 약한 중력 또는 낮은 가속도에서 가장 명확하고 특이한 중력 변칙을 보였다 (그림 1). 중력 가속도가 제곱 초당 약 1nm(나노미터)보다 높을 경우 실질적인 중력 변칙은 없었다. 중력 변칙은 제곱 초당 약 1nm에서 나타나기 시작하고 반경이 커지면서 증가하다 거의 평평한 회전 곡선이 된다.  그림 1. 안드로메다 은하(M31)의 관찰된 회전 곡선은 은하의 바깥 부분에서의 명확한 중력 이상을 보여주고 있다. 뉴턴의 예측한 곡선이 은하 바깥 부분에서 감소하는 동안 관찰된 회전 곡선은 거의 평평하다. (온라인에서 이미지 발췌)   제곱 초당 1nm보다 약한 중력은 표준 중력이 검증된 내부 태양계의 중력 범위를 훨씬 벗어난다. 하지만, 약한 중력에서 표준 중력이 유지된다는 추정을 통해 눈에 보이는 은하들을 둘러싸는 암흑 물질 헤일로가 제시되었다. 암흑 물질 헤일로는 과학자들로부터 곧 많은 인기를 얻게 되었다. 무엇보다도 이는 두 명의 위대한 권위자들의 이론들을 뒷받침할 수 있었다. 저가속 변칙(low-acceleration anomaly)을 제외하면, 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 태양계 내의 실험(solar system tests), 중력파 검출, 그리고 중성자 별과 블랙홀 관측을 통해 성공적으로 검증되었다. 일반 상대성이론에 기초한 표준 우주론은 암흑 물질을 가정하고 발전되었고 우주 마이크로파 배경(CMB) 온도 비등방성과 관측된 은하 분포를 통해 밝혀진 우주의 거대 구조를 성공적으로 설명할 수 있었다. 또한 우주의 암흑물질의 양은 은하와 은하단을 담고 있는 암흑물질 헤일로와 양립할 수 있는 것으로 보인다. 하지만, 표준 우주론은 최근 심각한 문제들에 직면해 있다. 예를 들어, 가까운 우주에서 측정된 허블 상수와 플랑크 위성이 관측한 CMB 데이터를 기반으로 한 일반 상대성이론이 예측한 상수 간의 불일치, 그리고 제임스 웹 우주 망원경이 발견한 초기 시대의 은하들이 너무 거대하다는 것이다.   암흑 물질은 전자기 방출 또는 흡수를 통해 관찰할 수 없는 눈에 보이지 않은 물질을 의미한다. 예를 들어, 많은 먼지가 포함되어 빛을 흡수하여 검게 보이는 암흑 성운(dark nebulae)은 암흑 물질이 아니라 일반 중입자이다. 이론적으로 암흑 물질에 대한 후보 입자들은 충분히 제시되고 있다. 역사적으로 약한 상호 작용하는 무거운 입자(weakly interacting massive particles, WIMPs)들은 선호되는 후보들이었지만 현재 전세계에서 진행된 직접 탐사 실험을 통해 대부분 배제되었다. 초대칭 입자(Supersymmetric particles, SUSY)도 유망한 후보로 간주되었지만, 힉스 입자 발견 이후 CERN 실험을 통해 대부분 배제되었다. 물론 액시온, 미니 블랙홀, 초경량 보존 등 수많은 이론적 후보가 남아 있으며 암흑물질 탐색을 위한 노력은 계속되고 있다.  암흑물질은 많은 과학자들이 선호하는 중력 변칙에 대한 해결책이지만, 뉴턴-아인슈타인 표준 중력이 낮은 가속도 한계에서 실험적으로 검증된 적이 없었다는 사실을 잊어서는 안 된다. 때로 일부 과학자들은 중력렌즈와 같은 천문학적 관측을 통해 암흑물질을 주장하기도 한다. 그러나 암흑물질은 표준중력을 가정하여 추론되었기 때문에 순환 논법일 수밖에 없고, 암흑물질이 적정량 검출되는 경우에만 낮은 가속도 한계에서도 표준중력이 유효할 것이다. 실제로 모든 과학자들이 암흑 물질이 해결책이라는 것에 동의했던 것은 아니다. 이미 1983년에 모르데하이 밀그롬(Mordehai Milgrom)은 은하의 특징적인 회전 곡선이 저가속 현상에서 뉴턴의 중력 역학(따라서 일반 상대성 이론도 포함)의 붕괴를 암시한다고 제시했다. 수정 뉴턴 역학(Newtonian dynamics, MOND)이라고 불리는 밀그롬의 새로운 패러다임은 표준 중력이 제곱 초당 약 0.1nm(나노미터)인 가속 상수 a_0와 비슷하거나 이보다 약할 때 붕괴한다고 가정한다. 따라서, 밀그롬은 중력 이론에 새로운 상수를 도입하였다. 수정 뉴턴 역학에서 중력은 자유 낙하하는 중력 시스템의 내부 역학이 주변 시스템의 중력장이 일정하더라도 이에 영향을 받는 외부 중력장 효과(external field effect)를 필요로 한다. 이러한 의미에서 수정 뉴턴 역학의 중력은 중력 역학이 주변 우주의 영향을 받는 다는 마하의 원리(Mach’s principle)를 따른다.  수정 뉴턴 역학은 암흑 물질을 포함시키지 않고도 은하의 관측된 회전 곡선을 설명할 수 있다. 수정 뉴턴 역학이 예측한 케플러 유사 법칙들을 중입자 툴리-피셔 관계, 지름 가속도 관계와 같은 은하 운동학에서 괸측 되었다. 또한, 최근 은하 회전 곡선의 바깥 부분 내에서 외부 중력장 효과(External field effect)가 포착되었다. 하지만, 이러한 관찰들은 암흑 물질 지지자들로부터 저항받고 있는데, 이는 암흑 물질 헤일로가 수정 뉴턴 역학의 예측을 일정 수준 모방할 수 있기 때문이다. 물론, 미래에 정확한 고정밀 관측이 이뤄진다면 수정 뉴턴 역학과 암흑 물질 헤일로는 결국 구별될 수 있을 것이다.  4. 장주기 쌍성: 저가속에서 중력을 직접 검증하기 위한 자연 실험실  암흑 물질과 수정 뉴턴 역학을 구분하기 위해 은하를 사용하는 경우, 은하의 외부 부분이 엄청난 공간이기 때문이에 이 두 패러다임들의 중복되는 예측 내용들을 구별해야 한다. 2012년 자비에 헤르난데즈(Xavier Hernandez)와 그의 동료들은 낮은 가속도에서 중력을 테스트하기 위하여 장주기 쌍성을 이용하는 것을 제안했다. 장주기 쌍성은 서로의 상호 중력에 따라 장기간 궤도에 따라 서로를 도는 중력적으로 결합된 쌍성을 의미한다. 전체 질량이 약 1 태양 질량인 일반적인 쌍성의 경우, 간격(또는 궤도 크기)가 수 킬로 천문 단위(kau)일 때 상호 중력은 밀그롬 상수의 약한 가속도에 도달한다. 표준 중력에 의해 예측되는 궤도에 둘러싸인 상대적으로 작은 공간에 포함된 암흑 물질은 무시해도 될 정도이다. 그러므로 암흑 물질과 수정 뉴턴 역학의 영향을 구별할 필요 없이 중력을 직접 테스트할 수 있다.  유럽항공우주국(European Space Agency)의 가이아(Gaia) 우주 망원경은 우리은하에 있는 20억 개의 물체(주로 별)의 3D 지도를 구축한다는 목표로 별의 움직임을 추적해오고 있다. 가이아는 2016년부터 데이터를 공개해오고 있다. 가장 최근 발표된 것은 데이터 릴리스 3(DR3)이다. 2023년부터 2024년까지 세종대학교 채규현 교수는 중력에 민감한 세 가지 매개변수들을 고려하여 쌍성을 이용해 중력을 시험하는 알고리즘을 개발하였다. 이와 같은 세 가지 매개변수들은 하늘 평면에 투사된 관측된 2D 속도, 뉴턴 원형 속도로 정규화된 2D 속도, 그리고 관측된 2D 속도와 2D 간격을 몬테 카를로 방법에 의해서 삼차원의 실제 공간으로 역투영하여 통계적으로 재구성한 운동학적 가속도이다. 가이아의 쌍성에 대한 데이터의 질적 수준은 다양하다. 또한, 일부 쌍성들은 쌍성 중 하나 또는 둘 모두 주변에 위치한 관측되지 않은 별들이 있어 이들 주변에 맴돌기도 한다. 이와 같이 숨겨진 구성 요소가 있는 쌍성들을 다중 별 또는 계층 시스템이라고 부른다. 채 교수는 가장 높은 데이터 품질적 수준을 갖춘 순수한 쌍성 샘플로부터 계층 시스템이 포함된 좀 더 완화된 품질의 데이터가 포함된 10배 이상 더 큰 샘플까지 고려하였다. 계층 시스템이 포함된 샘플의 경우, 채 교수는 표준 중력을 만족시키는 것으로 알려진 1 kau 이하의 간격을 가진 쌍성들을 이용하여 계층 시스템의 발생률을 결정하였다. 이와 같은 절차는 간격과는 관계없이 동일한 기준으로 모든 쌍성이 선택되었고, 확인된 계층 시스템들은 이미 제거하였기 때문에 유효할 수 있다. 확인되지 않은 숨겨진 동반자(companion)가 있을 확률은 간격과는 무관한데, 샘플 수집 기준에 의해서 이들의 측광학적, 측성학적 그리고 운동학적 특성들이 통계적으로 동일하기 때문이다.     5. 결과  그림 2에서 엄격한 데이터 질적 요건에 따라 선택된 2463개의 순수 쌍성 샘플들에 대한 중력 테스트 결과를 확인할 수 있다. 제곱 초당 약 1 nm보다 높은 가속도 또는 약 2 kau보다 작은 간격에서 관찰된 가속도 또는 속도는 뉴턴의 예측과 일치한다. 이는 상당히 의미있는 결과인데 관측된 값들에 대한 그 어떠한 조정도 이뤄지지 않았기 때문이다. 뉴턴 역학은 제곱 초당 nm의 가속도 단위까지 관측된 양에 의해 자연스럽게 뒷받침된다.  그러나 제곱 초당 1 nm 또는 2 kau에서 관측된 가속도/속도는 뉴턴의 예측에서 벗어나기 시작하며, 약 5 kau보다 큰 간격의 경우 속도와 가속도가 약 20% 및 40-50%으로 각각 증가한다. 상대적으로 더 큰 간격들을 가진 쌍성들은 동일한 데이터 품질을 충족하기 때문에 위와 같은 증가치는 실제 중력 변칙을 나타낸다. 놀라운 점은 변칙적 행동의 정도와 특성이 제이콥 베켄스타인(Jacob Bekenstein)과 밀그롬(Milgrom)의 AQUAL 모델로 대표되는 수정 뉴턴 역학의 중력이 은하수의 외부 중력장 효과(external field effect)하에서의 일반적 예측과 일치한다는 것이다.  그림 2. 통계적으로 숨겨진 추가 구성요소가 없는 2463개의 순수 쌍성들에 대한 중력 테스트 결과. 중력에 민감한 세 가지 매개변수들, 즉 몬테 카를로 재구성 운동 가속도, 관측된 하늘 평면 투영 상대 속도, 뉴턴 원형 속도로 정규화된 속도가 왼쪽에서 오른쪽으로 표시됨. 세 가지 경우 모두 관측된 값들은 해당 뉴턴 예측과 비교되었다. 낮은 가속도 및 더 큰 간격에서 중력 변칙이 확연하게 나타난다. 그림 3은 계층 (고차 다중) 시스템들을 포함한 두 개의 일반 샘플들에 대한 가속 이상을 나타내고 있다. 계층 시스템들 비율의 보정값이 표시되었다. 순수 쌍성 샘플들에 나타난 변칙 현상과 동일하게 관측된 중력은 제곱 초당 1nm에서 뉴턴의 예측으로부터 벗어나기 시작하였고 이와 같은 이상의 정도와 추세는 수정 뉴턴 역학의 중력 예측과 일치한다.  그림 3. 계층(다중 별) 시스템을 포함한 두 개의 일반 장주기 쌍성 샘플에 대해 몬테 카를로 재구성 운동 가속도를 사용한 중력 테스트 결과. 분해되지 않은 계층 시스템의 비율은 뉴턴 영역 내 높은 가속도에서 보정되었다. 이러한 결과들은 순수 쌍성 샘플의 테스트 결과와 일치하지만 표본 크기가 훨씬 크기 때문에 통계적 유의성이 훨씬 더 높다. 그림 4는 두 개의 일반 샘플에 대해서 관측된 정규화된 속도를 정규화된 간격에 대한 관계로 나타낸다. 여기서 정규화된 간격 값 1은 가속도 값이 Milgrom 가속도와 같아짐을 나타낸다. 정규화된 간격의 값이 충분히 작을 시, 관측된 정규화된 속도는 뉴턴의 예측과 일치한다. 그러나 정규화된 속도는 정규화된 간격이 약 1에 도달할 때까지는 점진적으로 증가한 다음, 두 샘플 모두에서 수정 뉴턴 역학의 중력 예측과 마찬가지로 평평해진다.  그림 4. 그림 3과 유사하지만 정규화된 속도가 사용된다. 뉴턴식 예측은 명확하게 배제되며, 밀그롬의 AQUAL 예측은 Gaia 데이터와 일치한다.  6. 시사점: 천체 물리학 및 우주론의 혁명  현재 은하와 은하단에서 발생하는 중력 변칙을 설명하는데 있어 암흑물질이 수정뉴턴역학과 경쟁하는데 이는 우주론적으로 추정되는 암흑물질 밀도가 적정해 보이기 때문이다.  이와 같은 경쟁은 장주기 쌍성에서 관측된 중력 변칙에서는 성립하지 않는다. 그 중력 변칙은 표준 중력이 약한 가속도에서 붕괴한다는 것을 명확하게 의미한다. 이는 암흑 물질의 존재 여부와는 상관없이 별개로 발생하는 것이다.   장주기 쌍성의 중력 변칙이 은하 회전 곡선에서와 동일한 가속도에서 관측된다는 것은 매우 놀랍다. 은하 회전 곡선에서의 변칙을 설명하기 위하여 도입되기 시작한 암흑 물질은 장주기 쌍성의 변칙 현상을 설명할 수 없기 때문에 암흑 물질 패러다임 자체는 임기 웅변적 가정에 지나지 않은 것으로 보인다. 따라서 전 세계적인 집중적 노력에도 불구하고 현재까지 암흑물질 입자의 탐지나 식별이 실패하고 있는 것은 어쩌면 당연한 결과물일 수 있다.  AQUAL 및 QUMOND와 같은 수정 뉴턴 역학 중력 모델은 은하와 장주기 쌍성 내 중력 변칙을 필요로 할 뿐만 아니라, 외부 중력장 효과의 차이로 인해 발생하는 은하와 장주기 쌍성의 변칙의 엄청난 크기 차이를 정확하게 예측한다. 이러한 결과들은 수정 뉴턴 역학의 기본 원리인 표준 중력이 수정 뉴턴 역학의 가속도 상수를 통해 붕괴된다는 것을 입증한다. 또한 수정 뉴턴 역학이 비표준(또는 수정) 중력을 통해 실현된다는 점을 강하게 암시한다. 수정 뉴턴 역학이 천체 물리학과 우주론에 미치는 영향은 일반 상대성 이론의 영향에 못지 않다. 일반 상대성 이론은 중력과 시공간에 대한 인간의 이해를 블랙홀 및 중력파와 같은 상대론적 현상으로 확장한 반면, 행성계, 항성계, 은하, 은하단과 같은 비상대론적 현상에서는 뉴턴의 중력 이론으로 돌아간다. 이러한 비상대론적 현상은 밀그롬 상수에 의해 설정된 수정 뉴턴 역학 영역에 도달할 때마다 밀그롬의 원리를 따르게 되고, 선형성과 중첩 원리를 잃게 되며, 외부 중력장 효과를 갖게 된다. 장주기 쌍성에서 볼 수 있듯이 밀그로미안 현상은 항성계, 은하계, 우주 자체에 이르기까지 널리 퍼져 있을 것으로 예상할 수 있다.  따라서, 중력 역학은 가장 강한 중력부터 가장 약한 중력에 이르기까지 마하의 원리를 따르는 것처럼 보인다. 강한 중력 영역에서 마하의 중력 성질은 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 비선형 이론으로 대표되며, 약한 중력 영역에서는 밀그롬의 이론으로 대표된다. 태양계 안쪽에서와 같이 “정상 중력”이라는 최적 지점에서만 뉴턴의 이론과 선형성이 유지되며 중력 역학은 마하의 원리를 망각하게 된다. 7. 향후 연구 및 전망   현재 밀그롬 중력에 대한 증거는 가이아 DR3 데이터 베이스를 기반으로 하고 있다. 가이아는 2026년 초에 DR4를 발표할 예정이다. 가이아 DR4는 측성학적, 측광학적, 그리고 시선속도에 대한 완전한 데이터 목록을 제공할 예정이며, 이로 인하여 장주기 쌍성 중력 테스트 결과의 통계값이 유의미하게 개선될 것으로 예상된다. 특정 장비를 통해서 잘 선별된 장주기 쌍성의 시선속도를 정밀하게 측정함으로써 하늘의 2D 속도보다 더 직접적인 중력 테스트를 진행할 수 있는 3D 속도를 얻을 수 있다. 스펙클 측광(speckle photometry)이라는 새로운 기술을 통해 현재까지 측광학적으로 분해 안 된 별들에 숨겨져 있는 추가별을 찾아내어 이와 관련된 불확실성을 제거할 수 있다. 밀그롬 중력에 대한 강력한 증거가 이미 얻어졌으므로, 수정 뉴턴 역학 패러다임의 이론적 발전이 이뤄져야 한다. 수정 뉴턴 역학에 기반한 우주론은 로버트 샌더스(Robert Sanders)의 선구적인 연구를 따라 발전해야 할 것이다. 그리고 이러한 연구는 아인슈타인의 이론을 넘어서는 상대론적 이론들의 이론적 발전과 함께 올바른 수정 뉴턴 역학 현상학에 근거하여 이뤄져야 한다. 근본적인 기본 이론에 대한 탐구는 상대론 영역의 일반 상대성 이론과 매우 약한 가속도에서의 수정 뉴턴 역학을 동시에 설명할 수 있는 방향으로 이뤄져야 할 것이다. 또한 근본 이론은 중력의 양자물리학을 성공적으로 설명해낼 수 있어야 할 것이다.   참고 1. F. Zwicky 1933 Helvetica Physica Acta (in German) 6 110–127 "Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln" [The red shift of extragalactic nebulae] 2. V. Rubin, W. K. Jr. Ford 1970 Astrophysical Journal 159 379 "Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions" 3. A. Bosma 1978 Ph.D. thesis “The Distribution and Kinematics of Neutral Hydrogen in Spiral Galaxies of Various Morphological Types” (Rijksuniversiteit Groningen) 4. M. Milgrom 1983 Astrophysical Journal 270 365 "A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis” 5. S. S. McGaugh, J. M. Schombert, G. D. Bothun, and W. J. G. de Blok 2000 Astrophysical Journal 533 L99 “The Baryonic Tully-Fisher Relation” 6. Stacy S. McGaugh, Federico Lelli, and James M. Schombert 2016 Phys. Rev. Lett. 117, 201101 “Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies” 7. Kyu-Hyun Chae, Federico Lelli, Harry Desmond, Stacy S. McGaugh, Pengfei Li, and James M. Schombert 2020 Astrophysical Journal 904 51 “Testing the Strong Equivalence Principle: Detection of the External Field Effect in Rotationally Supported Galaxies” 8. Kyu-Hyun Chae 2022 Astrophysical Journal 941 55 “Distinguishing Dark Matter, Modified Gravity, and Modified Inertia with the Inner and Outer Parts of Galactic Rotation Curves” 9. X. Hernandez, M. A. Jiménez, C. Allen 2012 The European Physical Journal C  72 1884 “Wide binaries as a critical test of classical gravity” 10. Kyu-Hyun Chae 2023 Astrophysical Journal 952 128 “Breakdown of the Newton–Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars” 11. Kyu-Hyun Chae 2024 Astrophysical Journal 960 114 “Robust Evidence for the Breakdown of Standard Gravity at Low Acceleration from Statistically Pure Binaries Free of Hidden Companions” 12. Kyu-Hyun Chae 2024 Astrophysical Journal (submitted; preprint arXiv:2402.05720) 13. J. Bekenstein, M. Milgrom 1984 Astrophysical Journal 286 7 "Does the missing mass problem signal the breakdown of Newtonian gravity?” 14. M. Milgrom 1983 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 403 886 "Quasi-linear formulation of MOND” 15. R. H. Sanders 1998 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 296 1009 "Cosmology with modified Newtonian dynamics (MOND)” 다음글 3D 프린팅 잉크와 줄기세포를 활용한 인공 심장 개발의 현황 (The Frontier of Artificial Cardiac Development Using 3D Printing Ink and Stem Cells) 이전글 고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술 2024-08-16 hit 229 고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술 반도체시스템공학과 임유승 1. 서론 전력변환(Power conversion)이란 용어가 낮설게 느껴질 수 있지만, 우리는 일상 속에서 전력변환 기술을 통해 모든 생활을 영위하고 있다. 우리가 에너지라고 일컫는 전기는 발전소에서 생산되고 모든 가정에 공급이 된다. 우리가 쓰고 있는 220V 교류(AC)전압은 가정에 공급되고 있다는 사실을 알고 있다. 그럼 발전소에서는 어떻게 전달될까?  그림 1. 가정에 공급되는 전압과 전력반도체의 역할 [1] 생산된 전기는 도심으로 전달되기 위해서는 승압이란 과정을 거쳐서 매우 높은 전압을 변환된다. 전압을 크게 바꾸기 위해서는 교류를 이용한 경우 쉽게 가능하고 손실을 감안하더라도 먼 거리를 가능케 한다. 현재 154kV에서 765kV까지 승압을 통해 전달하고 가정에는 배전이란 과정을 거쳐 교류 220V를 공급한다. 여기까지는 우리가 ‘가정에 220V 교류가 들어온다’라는 사실을 인지하기 쉽게 다가온다. 그런데 전력변환이 중요한 이유는 우리가 사용하고 있는 거의 대부분의 전자제품은 직류를 쓰고 있기 때문이다. 직류는 시간에 따라 전압이 변하지 않는 에너지로 노트북, TV, 냉장고, 세탁기 심지어 모든 전자기기까지 직류를 사용하고, 각각의 기기가 요구하는 전력량에 따라 다른 전압을 채택한다. 즉, 220V 교류전압을 5V, 10V, 15V 등의 직류전압으로 바꿔줘야 한다. 여기에 쉽게 접할 수 있는 어댑터(Adapter)를 떠올릴 수 있다. 즉, 어댑터는 교류를 직류로 바꾸어 주고, 원하는 전압으로 낮춰주거나 높여주는 역할을 하는 것이다. 바로 여기에는 반도체의 정류작용(Rectification)이 활용된다. 즉, 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 특징을 활용해, 양과 음 전압으로 실시간으로 변화하는 교류를 한쪽 방향을 걸러 직류로 만들어 주는 기술이 적용된다. 반대로 직류를 교류로 만들어 줄 때는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용해 교류형태로 만들어 주는 기술을 활용한다. 여기에도 당연히 반도체가 활용된다. 그림 2는 전력변환의 종류에 따른 특성을 나타낸다. 순서대로 교류를 직류로 변환, 교류의 주파수변환, 직류 전압의 변경, 직류를 교류로 변환을 나타내며 응용 환경에 따라 사용처가 모두 다르다. 그림 2. 전력변환 종류 [1] 전력변환에 대한 간략한 이해를 돕기 위한 앞선 내용을 바탕으로 본론에서는 도대체 왜 고에너지갭이란 반도체 소재가 필요하며, 고효율이 왜 요구되는지에 대해 다루고자 한다. 2. 높은 전압을 견딘다는 의미 반도체는 밴드갭이란 고유 특성을 갖고 있고, 반도체에 전압을 가할 시 특정 전압 이상에서 항복현상(breakdown)이 발생해 급격히 전류가 증가해 반도체를 제어할 수 없게 되고 열화되는 특성을 갖는다. 이러한 항복현상은 반도체의 밴드갭 크기에 의존하고 있고 대표적으로 Si은 1.1eV의 밴드갭을 갖는다. 이를 항복전계(Breakdown Electrical Field)로 변환하면 0.3MV/cm 값을 갖는다. 즉, Si 자체의 항복전압의 임계값은 정해져 있기 때문에 항복전압을 증가시키기 위해서는 반도체의 저항성을 키워야 한다. 저항성을 키우기 위해서는 반도체의 불순물 농도(impurity concentraion)를 낮추어 저항을 크게 가져가는 방법이 널리 사용된다. 반도체는 불순물의 농도를 조절함으로써 전류를 매우 잘 흐르게 할 수도, 매우 적게 흐르게 할 수 있는 특징을 갖는다. 좀 더 쉽게 얘기하자면, 반도체 특성을 보이는 최적의 디바이스 특성에 저항을 키우기 위한 적은 양의 불순물 농도를 갖는 층을 첨가해 전류가 흐르는 방향으로 저항이 높은 영역을 만들어 주는 것이다. 여기서 저항이 높은 영역의 폭이 넓을수록 전류가 흐르기 더욱 어렵게 되고 견딜 수 있는 항복전압도 키울 수 있게 된다. 또한, 다른 방법으로는 반도체는 전자(Electron)와 정공(Hole)의 각각의 양에 따라 n타입 및 p타입으로 만들 수 있다. 즉, 전자가 많은 상태의 반도체를 n타입, 정공이 많은 상태의 반도체를 p타입으로 일컫는다. 두 반도체가 서로 접합(Junction)을 이룰 때, 우리는 다이오드(Diode)라고 부르며, 이 다이오드가 바로 정류작용을 할 수 있는 반도체 소자가 된다. 이런 반대 극성(Polarity)를 갖는 성분을 이러한 항복전압을 높이기 위한 층으로 활용함으로써도 항복전압을 높일 수 있다. 다시 정리하면, 같은 극성을 갖는 반도체 내 불순물농도가 다른 층을 삽입하는 방법, 그리고 다른 극성을 갖는 층을 삽입하여 두 극성이 만나는 접합면에 공핍층(Depletion layer)이란 층을 형성하여 저항을 키우는 방법을 활용할 수 있다. 이것이 반도체의 항복전압을 높임으로서 응용분야에 맞는 소자 설계를 가능케 한다.  3. 높은 전압 구현의 필요성, Si의 한계 그리고 산업 앞서서 전압의 종류와 변환 그리고 사용분야에 대해 알아 보았다면, 좀 더 전압의 관점에서 살펴보고자 한다. 전압(Voltage)란 전위차(Electric Potential Difference)라고도 불리며, 전기장(Electric Field) 안에서 전하가 갖는 전위(Electric Potential)라고 한다. 쉽게 말해서 어느 구간 사이에 서로 간의 위치에너지 차이라고 볼 수 있다. 전압이 크다는 것은 전하들이 더욱 큰 힘을 갖고 이동할 수 있음을 의미하며, 시간 당 이동하는 전하의 양이 많다는 뜻을 갖는다. 전압을 얘기할 때 떼어 놓을 수 없는 것이 전력(Electric Power, P)이다. 전력은 전기에너지가 일할 수 있는 능력을 나타내고, 단위 시간당 전달되거나 변환된 전기에너지에 의해 수행된 일의 양으로 나타낼 수 있다. 전력(P)는 전압(V)와 전류(I)의 곱으로 나타낼 수 있다. 여기서 우리는 두 가지 조건을 고려해 볼 수 있다. 같은 전력량을 나타내는 A, B 사례에서 A는 B보다 높은 전압을 가지면 상대적으로 적은 전류량을 나타낼 것이다. 이는 어떤 의미일까? 전류가 크면 많은 전자들이 동시간에 흐르게 된다. 이는 내부에 진동 및 충돌을 유발하고 점진적으로 열을 발생시킨다. 열은 곧 손실(Loss)로서 나타나게 된다. 즉, 같은 전력량을 가질 때 높은 전압과 낮은 전류는 손실 측면 및 설계관점에서 보다 유리해 진다.  그러면, 전압을 높이는 것이 항상 옳은 판단인 것인가 라는 질문에는 그렇지 않다. 전압을 높인 다는 것은 결국 반도체의 항복전압을 높여 개방(Open) 상태를 만들어 줘야하는데 항복전압을 높이기 위한 저항층의 두께 증가는 결국 반도체 전체의 저항을 증가시키는 결과를 가져온다. 증가된 저항에 의해 전류를 흘려야하는 상태에서 높은 저항성분으로 인해 손실이 그 만큼 발생한다. 즉, 항복전압과 저항은 서로 트레이드-오프 관계를 가지기 때문에 이를 극복하기 위한 다양한 시도들이 진행되어 왔다. 그 중 여기서는 소재의 한계 극복에 국한해 소개하고자 한다. 그림 3. (좌)물질에 따른 밴드갭 및 항복전계 특성. (우)항복전압 설계에 따른 요구 온저항 특성 그림 3의 좌측 그래프는 물질에 따른 밴드갭 값 및 변환된 항복전계 값을 나타낸 그래프이다. Si의 밴드갭은 1.1eV이고 여기 표시된 각각의 소재들은 다른 밴드갭을 나타낸다. 이 중, 가장 널리 Si를 대체할 소재로서 연구되고 제품화된 소재는 4H-SiC(3.3eV) 및 GaN(3.4eV)이다. 각각 밴드갭이 Si 대비 3배 이상 크기 때문에 소재 자체의 항복전압 특성이 우수하여 저항 설계에 이점을 갖는다. 이에 대해 그림3 우측에 반도체소자가 동작할 때의 저항값과 설계한 항복전압과의 상관관계를 나타낸 그래프에 주목해보자. 가령 1000V의 전압을 견디는 반도체를 제작했다고 가정하면, Si을 사용할 경우 앞서 언급한 저항층의 두께와 저항도를 고려할 때 100mΩ⦁cm2 이상의 저항값을 나타낼 수 밖에 없다. 반면, 4H-SiC 소재를 이용할 경우 0.5mΩ⦁cm2 수준으로 200배 가까이 낮출 수 있다. 이러한 장점을 갖는 넓은 밴드갭을 갖는 소재들을 기반한 전력반도체 개발이 주목을 받고 있다. SiC, GaN 이외에도 Ga2O3, AlN, Diamond에 이르는 울트라와이드 밴드갭을 갖는 소재들의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 이러한 고전압이 우리 일상에서 필요할까? 우리는 이미 이러한 고전압을 생활 속에서 경험하고 있다. 여기서 가장 대표적으로 전기자동차를 가져와 봤다.  그림 4. (좌)전기자동차 배러티 충전 및 사용장치 별 전력변환. (우)전압에 따른 자동차 충전 시간 그림4의 왼쪽 그림은 전기자동차 전력변환 시스템을 나타내고 있다. 앞서 살펴본 다양한 전력의 변환이 전체 시스템에 적용된 사례를 한 눈에 살펴볼 수 있다. 전기자동차는 현재 400V 및 800V 전압을 사용하는 배터리 시스템을 사용하고 있고, 용량은 60kWh에서 현재 80kWh 이상으로 증가돼 왔다. 즉, 800V 전압을 사용하는 전기자동차에 사용되는 배터리에서 나오는 직류는 오디오, 계기판 등 전자장치에 사용되는 전압(12 또는 24V)로 변환시켜줘야 하며, 모터 구동에 있어서는 교류로 바꿔줘야 한다. 또한, 높은 전압을 차용한 충전에서는 더욱 차별화가 나타나는데, 우측 그림에서와 같이 충전시간을 현저히 줄일 수 있다. 미국에서는 표준화처럼 쓰고 있는 테슬라의 슈퍼차저 시스템은 480V 충전을 지원한다. 반면, 국내 현대자동차가 출시한 아이오닉5 모델은 800V 충전 지원을 통해, 테슬라보다 1.6배 가량 충전시간을 단축할 수 있다. 전기자동차의 충전시간에 대한 고민은 모든 사용자가 갖고 있는 고민이고 빠른 충전시간은 전기자동차의 보급화에 크게 기여한다. 즉, 고전압을 이용한 시스템 설계는 효율성과 더불어 편의성도 가져올 수 있는 장점을 가진다.  여기서 800V 시스템에는 800V를 버티는 반도체를 쓰면 되는 것인가에 대한 고민을 할 수 있는데, 일반적으로 스위칭이 요구되는 전력변환에 있어 스위칭 및 충방전 동안 짧은 시간 동안의 심한 파형 변화가 불가피하게 나타난다. 이에 과도(Surge) 전압이 발생한다. 짧은 시간(수나노초)이지만 이로 인해 반도체에는 설계 전압보다 매우 큰 전압이 인가되고 이로 인해 소자 파괴에 이를 수 있다. 따라서 약 10~20% 이상의 전압 마진을 통해 설계하는 것이 일반적이며, 보통 800V 전압용으로는 1200V 내압특성을 갖는 반도체 소자가 사용된다. 즉, 고전압 설계는 일상 속에 이미 아래 그림과 같이 활용처가 매우 넓고 제품군 또한 매우 다양하다.  가전기기에서 상업용까지 쓰이지 않는 곳이 없는 이러한 전력반도체는 아이러니하게도 국산화된 기술을 통한 국내 자립도는 10%에도 미치지 못한다. 현재 전력반도체 분야를 주도하고 있는 국가로는 독일, 미국, 일본, 프랑스 등 국내 키 플레이어는 단 한 곳도 없는 실정이다. 소품종 대량생산에 초점이 맞춰져 있는 메모리 반도체 산업과는 달리 전력반도체는 소량 다품종 분야로서 기업마다 제각각인 전력용량을 맞춰야 하는 기업 입장에서는 필드엔지니어의 역할이 매우 중요하며, 고객사에 맞춤형 제품을 제공뿐만 아니라 설계 제안까지 할 수 있는 역량이 요구된다. 이러한 점 때문에 국내 기업이 아직 진출하지 못한 것도 수십 년 간 쌓아온 이러한 생태계에 맞춰 준비해야하는 어려움을 극복하는 것이 숙제로서 남아있기 때문이다. 그럼에도 메모리 분야 외 새로운 고부가가치 산업으로서의 전력반도체는 전망이 밝고 주목을 받고 있다. 스마트 해지고 더욱 지능화하는 전자기기 및 인공지능 시대에 요구되는 기술뿐만 아니라 모든 전자기기들의 근육이자 힘의 원천이 되는 전력반도체의 연구 개발 및 국내 자립도 증대는 또 다른 국내 연구자들의 숙제이자 목표로서 자리매김해 가고 있다. 그림 5. 전력반도체 분야 세계 기업 현황(2023년 YOLE 리포트) 4. 울트라와이드밴드갭 산화갈륨 기술 앞서 Si의 한계를 극복하기 위한 고에너지갭 소재가 갖는 장점들을 살펴보았다면, 실제 연구, 개발 사용화 사례를 다뤄보고자 한다. 첫 번째로 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)에 대해 살펴보자. 탄화규소는 3.3eV 의 넓은 밴드갭과 높은 열전도 특성 (Si 대비 3배 이상)을 갖는다. 대전력 구동에서 높은 전류는 소자에 많은 열을 발생시키며 이러한 열을 빠르게 방출 시키기 위해서 소재의 열 방출 특성이 뛰어나고, 이를 뒷받침한 방열설계가 되어야 한다. 이러한 측면에서 SiC 는 최적의 소재라 할 수 있다. SiC의 Si 대체 가장 성공적인 상업화는 테슬라 Model 3의 인버터 탑재라 할 수 있다. 650V 내압 특성을 planar MOSFET을 이용하여 총 48개의 die를 병렬로 연결한 사례이다. 최근에는 구동계 말고도 충전시스템에 까지 적용 검토가 되고 있고 현대자동차를 비롯 많은 자동차 회사에서 SiC 모델 적용을 진행하고 있다.   GaN의 경우 SiC 대비 고내압 특성의 구조 제작에 어려움이 있으나 2차원전자가스층(Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG)을 기반으로 초고속 스위칭이 가능한 High-Electron Mobility Transistor(HEMT) 소자 구현을 통해 5G통신 중계기, X-밴드, k-밴드든 광대역, 고주파용 응용기 가능하다. 특히, 고전력이 요구되는 RF소자에서 입출력 임피던스가 높아 정합회로 구현이 용이하고, 작은 칩면적 구현, Si 대비 주파수 특성이 우수하다. 마지막으로 산화갈륨에 대해 소개하고자 한다. 산화갈륨(Ga2O3)은 4.8eV-5.3eV의 매우 넓은 밴드갭을 갖고 있고 앞선 SiC 및 GaN과 가장 큰 차별점으로 Si과 같은 대구경 웨이퍼 잉곳(Ingot)기반의 소재 생산이 가능하다. 4인치 SiC 웨이퍼 한 장의 가격이 연구용으로 100만원 가까이 하고, GaN의 경우에도 50-80만원에 이르는 등 가격이 매우 높다. 이에 반해 산화갈륨의 생산성 측면에서는 매우 유리한데, 아직 연구 초기 단계로서 실질적인 웨이퍼 가격은 매우 고가이다 (2인치 기준 300만원). 그럼에도 불구하고 공정이 용이하고 초고전압 응용에 적합한 특성으로 국내외 연구진들의 불철주야 연구에 매진하고 있다. 상용화에 이르지 못한 현 시점에서 산화갈륨은 국외 의존도가 높은 전력반도체 시장에 국내 기업이 뛰어들 수 있는 기회라 할 수 있다. 원천기술에서부터 사용화 기술까지 이르는 대규모 정부 프로젝트가 현재 진행 중에 있다. 필자 또한 1200V급 산화갈륨 다이오드 및 트랜지스터 개발 과제를 산업통상자원부로부터 지원받아 개발에 참여하고 있다. 연구개발에 박차를 가해 국내 차세대 전력반도체 기술 개발이 세계적으로 선도 되기를 희망한다.  그림 6.(좌)테슬라 Model 3에 탑재된 메인 인버터의 24개 650V급 SiC MOSFET 탑재 사진. (우)400V 테슬라 Model 3 시스템의 650V SiC Planar MOSFET 기반 3상 모터 구동을 위한 구동계 인버터 모델 [3] 5. 결론 고효율 전력변환은 점차 커져가는 에너지 소비의 중요성과 더불어 저탄소 기술 구현에 필수 요건으로 자리매김 해 가고 있다. 전자제품에서부터 전기자동차, 전기항공/수상택시, 전기저장시스템, 발전소, 대형 선박, 기차, 항공 등 우리가 영위하고 있는 모든 기술에 전력변환은 필수 기술이다. 이러한 기술에 친환경, 에너지 효율 극대화라는 두 키워드는 반드시 짊어지고 가야할 숙제라 할 수 있다. 국내 기업의 자립도가 가장 낮은 반도체 분야인 전력반도체 분야에 적극적인 투자와 관심 그리고 기초연구와 함께 많은 노력을 전방위적으로 기울여야할 시기라고 할 수 있다. 국내 메모리 편중 시장에서 보다 넓은 시장으로 눈을 돌리며, 현재 국내 대기업들이 하나 둘 전력반도체 제품 개발에 뛰어드는 것을 지켜보며 성공적으로 안착하길 기대해 본다. 참고문헌 [1] https://www.semicon.sanken-ele.co.jp/en/guide/powersemicon.html [2] https://www.yolegroup.com/strategy-insights/power-electronics-meeting-the-shift-towards-electrification-and-renewable-energy-trends/ [3] https://www.pgcconsultancy.com/post/examining-tesla-s-75-sic-reduction 다음글 장주기 쌍성에서 발견된 뉴턴-아인슈타인 표준중력의 붕괴: 천체물리와 우주론에서의 과학혁명 이전글 이전글이 없습니다. 목록

세종피플 교수 교수 역사학과 이지은 교수, 모디 3기, 한국·인도 관계 집중조명 심포지엄 참석 2024-06-19 hit 665 ▲심포지엄에 참석한 이지은 교수(오른쪽에서 두 번째) 역사학과 이지은 교수는 지난 6월 7일 서울 중구 한국일보 본사에서 모디 3기 정부, 한국·인도 관계 집중조명을 주제로 열린 심포지엄에서 패널로 참석했다. 이번 행사에서는 국내외 최고 인도 전문가들이 모여 이번 총선 결과를 분석하고, 모디 3기 시대 인도와 한국의 협력관계를 재조명했다. 이번 인도 총선은 집권 BJP가 압승할 것이라는 기존의 예상과는 아예 다른 결과가 나왔다. 이에 심포지엄에 참석한 인도포럼 회장, 인도연구원장 등 많은 전문가들은 이번 총선 결과를 힌두민족주의의 퇴조와 민생을 외면한 경제성장 정책에 대한 심판이라고 분석했다. 이지은 교수는 "서민경제 위기 속에서도 파키스탄을 상대로 전쟁 위기를 조장하는 등 BJP는 종교를 정치에 이용하는 애국심 마케팅을 통해 선거공학적으로 성공해왔다"면서 "고질적 청년 실업 문제에 희망이 보이지 않자 힌두민족주의가 자연스럽게 퇴조한 것"이라고 평가했다.  취재/ 강은지 홍보기자(keej1758@naver.com) 다음글 인공지능데이터사이언스학과 정세훈 교수, ‘바이오칩 젊은 인재상’ 수상 이전글 호텔관광외식경영학과 박한 교수, ‘인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈 2024’ 국제심사위원으로 4년 연속 선임 목록

세종피플 교수 교수 호텔관광외식경영학과 박한 교수, ‘인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈 2024’ 국제심사위원으로 4년 연속 선임 2024-07-09 hit 628 ▲박한 교수 호텔관광외식경영학과 박한 교수는 태국 파타야에서 개최되는 인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈 2024에 4년 연속 국제심사위원으로 선임됐다. 이번 챔피언쉽은 태국 최대의 휴양지인 파타야 비치 센트럴 오픈 스테이지에서 7월 8일부터 10일까지 진행된다. 아시아 지역 5대 세계대회 중 하나인 ‘인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈(International Bartender Championship Pattaya Mixology & Flair Open)’은 아시아권에서 개최되는 세계 바텐더대회로 아시아는 물론 유럽 국가들까지 출전하는 세계적인 대회이다. 박한 교수는 아시아바텐더협회(Asia Bartenders Association) 국제기구의 상임이사국 한국대표로서 미쉐린가이드 스타레벨레이션서울의 총괄믹솔로지스트 겸 한국외식음료협회 회장으로도 활동하고 있는 세계 최초의 믹솔로지스트 연구 박사학위 취득자이다.   아시아바텐더협회는 아시아 지역 바텐더들의 위상이 높아짐에 따라 세계플레어바텐더협회인  월드플레어협회(World Flair Association: WFA) 협회에서 아시아권 대표 단체로 분리해 활동하게 된 아시아권 바텐더들의 공익 단체이다. 상임이사국인 △한국 △일본 △대만 △태국,  이사국인 △필리핀 △인도네시아 △베트남, 회원국인 △말레이시아 △중국 △싱가포르 △미얀마 △홍콩 등의 국가를 중심으로 약 30개국 이상의 국가에서 협회 활동 및 대회에 참가하고 있다. 박한 교수는 “이번 파타야 대회가 바텐더의 믹솔로지(크레프트 칵테일 기술연구) 부문과 플레어(이벤트 칵테일 퍼포먼스) 부문을 동시에 진행하는 첫 세계대회인 만큼 프로 바텐더들이 기술적인 발전을 이뤄낼 수 있는 경연이 되도록 상임이사국 국제심사위원으로서의 역할에 최선을 다하겠다“고 말했다. 취재/ 강은지 홍보기자(keej1758@naver.com) 다음글 역사학과 이지은 교수, 모디 3기, 한국·인도 관계 집중조명 심포지엄 참석 이전글 식품생명공학전공 임태규 교수 연구팀, 2024년 이공분야 학술연구 지원사업 선정 목록