광메카트로닉스공학과

구리산화에 대한 도식적인 모델(부산대 제공) 부산대와 성균관대, 미국 미시시피대 공동연구팀이 그래핀 등 반도체 산업에서 소재 합성에 쓰일 수 있는 '초평탄 단결정 구리박막'의 성장 메커니즘을 밝혀, 향후 박막 연구에 긍정적인 영향을 줄 것으로 전망된다.부산대 광메카트로닉스공학과 정세영 교수팀은 성균관대, 미국 미시시피대와의 공동연구를 통해 초평탄 금속성장 기술인 '원자 스퍼터링 에피탁시(Atomic Sputtering Epitaxy, ASE)'를 이용해 단결정 구리박막의 성장 초기에 일어나는 핵 형성의 원리와 수조 개의 핵들이 하나로 통합되는 메커니즘을 이론뿐 아니라 실험적으로 규명하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.전기전도도가 높고 저렴한 구리는 초정밀 소재나 회로에 쓰이는 금을 대체할 수 있는 물질이지만, 산화가 일어나 안정성을 흔드는 것이 문제다.그런데 구리 박막을 단결정(물질 내 원자들이 규칙적이고 한 방향으로 배열된 상태)으로 성장시켜, 벽돌로 쌓은 담이 한 층 높이를 이루듯 단원자층 수준의 거칠기(박막 표면 높이)를 가지는 초평탄 형태를 구현하면 산화가 일어나지 않아 실용성이 높아진다.연구팀이 자체 개발한 '원자 스퍼터링 에피탁시(ASE)'는 이처럼 벽돌 쌓듯 원자 한 개 한 개를 쌓아 올리는 박막 성장장치다.이는 지난해 연구팀이 세계적 학술지 '네이처'에 발표한 논문 내용으로, 구리 산화의 원리를 원자 수준에서 규명한 세계 최초의 연구로 큰 주목을 받았다.이전 논문이 구리 산화를 막는 단결정 박막의 초평탄화가 어떻게 일어나는지를 규명한 것이라면, 이번 연구는 초평탄화 이전의 초기 3단계인 '핵 형성(nucleations)-핵 통합(merging)-층 성장(layer grow)' 과정을 상세히 밝힌 것이다.이번에 연구팀은 실험적·이론적 연구를 통해, ASE 기법을 사용할 경우 박막이 초기 성장에서 지금까지 알려진 3가지 모드(VW, FM, SK) 중 하나를 따르는 것이 아니라 새로운 모드로 성장함을 밝히고 이 방법에 의해 초평탄면을 갖는 단결정 박막으로 성장됨을 입증했다.이번 연구의 성과는 박막이 새로운 모드를 거쳐 초평탄면으로 성장한다는 점이다. 기존의 섬 형성 모델(VW), 층 형성 모델(FM), 층에서 섬으로 성장하는 모델(SK)과 달리 섬을 형성한 다음 완전한 층으로 성장하는 새로운 모델을 확인했다.연구팀은 이론적 계산을 통해 원자들이 하나씩 확산돼 섬 성장이 이뤄지면 방향이 틀어지지 않고 동일 평면으로 모든 핵 형성이 통합될 수 있음을 설명했고, 실험적으로 HRTEM(고분해능 투과전자현미경) 등을 사용해 섬이 성장해 가는 과정을 관측했다.자체 개발한 ASE 장치를 기반으로 원자 한 층 수준의 거칠기를 갖는 '초평탄 단결정 구리박막'을 2인치 이상의 대면적으로 성장시킬 수 있는 이론적 근거와 실험적 증거를 제시함으로써 이번 연구가 박막 산업 발전에 미칠 영향과 시사점을 가늠해 볼 수 있다.이번 연구를 통해 스퍼터링법을 사용하면서도 대면적 단결정은 물론이고 표면을 초평탄면으로 성장시킬 수 있는 초기 성장 조건들이 모두 밝혀짐에 따라 향후 금속 박막 분야의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.박막의 초기 성장 기원을 밝힌 연구팀의 논문은 'Coherent consolidation of trillions of nucleations for mono-atom step-level flat surfaces(원자 한 층 수준의 평탄면을 위한 수조 개의 핵형성의 일관된 통합)'이라는 제목으로 세계적인 자연과학 전문 학술지인 '네이처 커뮤니케이션스(Nature communications)' 온라인판에 최근 게재됐다.

나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 김승철 교수 연구팀은 포항공과대학교와 공동연구를 통해 복잡하고 비싼 분광 측정* 없이 스펙트럼 위상 정보를 보존하는 매우 간단한 ‘불균형 비선형 간섭계** 자기상관*** 기술’을 구현해, 극고속 레이저 전기장의 완전한 재구성이 가능함을 실험적으로 확인했다.* 분광 측정: 빛을 파장에 따라 스펙트럼을 만드는 것을 ‘분광(分光)’이라고 하며, 빛을 분석해 파장에 따른 빛의 세기·에너지 등을 측정하거나 구성성분을 확인하는 것을 ‘분광 측정’이라고 한다. ** 간섭계(interferometer): 빛의 간섭 현상을 이용해 변위를 측정하는 광학계.*** 자기상관(autocorrelation): 시간 또는 공간적으로 연속된 일련의 관측치들 간에 존재하는 상관관계를 측정하는 원리. 지난 수십 년 동안 극고속 레이저 광원이 빠르게 발전함에 따라, 극고속 레이저 펄스* 전기장의 정확한 시간 특성 측정으로 자연 시간 척도에서 가장 빠른 광물질 상호작용을 직접 관찰하고 제어할 수 있게 되어 다양한 과학 및 산업 분야에서의 응용이 가능해졌다. * 레이저 펄스(Laser Pulse): 레이저의 에너지가 연속적으로 발진되는 것이 아니라 아주 짧은 시간동안 지속되는 출력형태를 갖는 레이저.지금까지는 비선형 자기상관 측정에서 펄스를 자체 게이트(또는 샘플)로 사용해 시간 정보를 간접적으로 얻었는데, 이 방법은 레이저 펄스 모양이 알려져 있다고 가정할 때 펄스 시간을 측정하는 데 유용하다. 하지만 이 측정 방법에서는 펄스 스펙트럼 위상이 손실되기 때문에 실제 펄스의 구체적인 정보(정확하고 완벽한 펄스의 파형)를 알아낼 수 없었다. 여기에, 손실된 스펙트럼 위상을 재구성하거나 직접 감지하기 위해 추가적인 분광 측정 등 다양하고 정교한 광학 계측 방법이 개발됐다. FROG(Frequency-Resolved Optical Gating) 또는 SPIDER(SPectral Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction)라 불리는 측정 방법이 가장 널리 알려져 있다. 그런데, 이 방법들은 자기상관 측정 장치에 비해 실험적으로 복잡하고 분광학적으로 접근할 수 있는 광학 필드의 경우에만 사용될 수 있어 좀 더 보편적이고 간단한 방법이 요구되어왔다.이에 연구팀은 추가적인 분광 측정 없이 스펙트럼 위상 정보를 보존하는 간단한 ‘불균형 비선형 간섭계 자기상관 기술’을 개발하고, 극고속 레이저 전기장의 완전한 재구성이 가능함을 실험적으로 구현하는 데 성공했다. 이번 연구결과는 국제학술지 『Light: Science Applications』 9월호에 발표됐다.- 논문 제목: Complete characterization of ultrafast optical fields by phase-preserving nonlinear autocorrelation(위상 보존 비선형 자기상관을 통한 극고속 광학 필드의 완전한 특성화)- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41377-022-00978-3 논문의 제1저자인 광메카트로닉스공학과 알렉산더 글리세린(Alexander Gliserin) 박사는 “기존의 자기상관 측정에서는 두 개의 동일한 광 펄스 복사본을 사용해 펄스를 자체적으로 게이트한다. 두 펄스는 구별할 수 없으므로 시간 영역에서 대칭성이 유지되고, 주파수 영역에서 스펙트럼 위상 정보가 손실된다. 펄스 중 하나를 약하게 함으로써 이 동일성을 깨게 되면, 스펙트럼 위상 정보를 보존할 수 있다”고 설명했다. 교신저자인 김승철 교수는 “이번 연구에서는 흔히 사용되는 극고속 펄스의 경우 스펙트럼 위상 정보가 보존된 불균형 자기상관 신호를 간단하고 빠른 수치 알고리즘으로 풀 수 있었다. 극고속 광학 계측 방법을 명명하는 전통에 따라, 우리는 이 새로운 기술을 PENGUIN(Phase-Enabled Nonlinear Gating with Unbalanced INtensity)이라고 부른다”고 밝혔다. 연구팀은 수 주기(~6-fs) 레이저 펄스에 대해 새로 개발한 기술과 함께 잘 확립된 FROG 기술로도 측정, 상호 비교해 매우 우수한 일치를 확인함으로써 새로운 기술을 실험적으로 검증했다.※ fs: 펨토초. 1,000조분의 1초.PENGUIN 기반의 자가상관 광학 시스템의 모식도(왼쪽)이 시스템을 통해 극고속 펄스의 스펙트럼과 위상값을 정확하게 추출해 내어(오른쪽 위), 극고속 레이저 펄스의 파형을 측정할 수 있다(오른쪽 아래).향후 이 기술을 활용하면 분광계가 사용되지 않기 때문에 FROG 또는 SPIDER와 같이 복잡할 필요가 없으며, 분광학적으로 접근할 수 없는 광학 전기장에 대한 계측도 가능할 수 있다. 예를 들어 나노구조의 극고속 플라즈몬 근거리장의 경우, 이는 비방사성이므로 이전 분광학 기반 특성 분석방법으로는 접근이 어려우나, 비선형적인 광전자 방출을 광전자 현미경으로 정확하게 측정해 이를 이번에 연구팀이 개발한 ‘PENGUIN’ 기술로 분석하면 지금까지 불가능했던 극고속 비방사 전기장을 세계 최초로 정확하게 측정하는 것이 가능하다. 연구팀은 이번 연구가 빛과 물질 간의 상호 작용에 대한 미지의 영역을 탐구하는 하나의 통로가 될 것으로 기대하고 있다.한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단(NRF)과 한국기술진흥원(KIAT) 역량개발사업을 통해 수행됐다.* 인물사진: 왼쪽부터 김승철 교수와 알렉산더 글리세린 박사[Abstract]Nonlinear autocorrelation is widely used for ultrafast optical pulse characterization and provides basic temporal information such as the pulse duration. Despite its popularity, it was believed to be insufficient for the measurement of arbitrary pulse shapes due to its inherent loss of spectral phase information. Researchers from South Korea have now shown that an unbalanced-intensity nonlinear autocorrelation preserves spectral phase information, which enables the complete reconstruction of ultrafast optical fields without any additional spectroscopic measurement.- Paper Title: Complete characterization of ultrafast optical fields by phase-preserving nonlinear autocorrelation. Light Sci Appl 11, 277 (2022).- Authors: Alexander Gliserin, Soo Hoon Chew, Seungchul Kim(Pusan National University) et al. - URL: https://doi.org/10.1038/s41377-022-00978-3

[과학에세이] 과학과 재즈국제신문 | 입력 : 2022-09-26 19:26:18 | 본지 22면글자 크기 페이스북 공유트위터 공유카카오스토리 공유네이버 공유인쇄기사 주소 복사스크랩“인문학적 담론에는 개인의 다양한 가치관이나 신념까지 반영될 수 있지만, 그렇지 못한 과학은 인간적 관점에서 어딘가 경직된 것 같고 사유가 풍성하게 느껴지지 않아요.”우연히 과학과 친숙하지 않은 한 소설가의 말을 듣고 이런 생각이 들었다. ‘과학을 좋아하는 이들은 우주 어느 곳에서든 똑같은 법칙이 작동한다는 보편성이 매력으로 다가오지만, 그렇지 않은 사람들에게는 개성이 개입할 여지가 없이 일괄적으로 적용된다는 점이 고지식한 법규처럼 느껴지는 것일까?’‘과학적’이라는 단어를 남용하는 사람들의 기대와는 다르게 과학은 절대진리와 동치가 아니다. 그렇다고 공상이나 믿음의 결과물도 아니다. 과학은 여러 단계의 엄격한 검증을 거쳐 구축된 집단 지성의 지혜다. 비록 100%의 참을 담보하지는 못하지만, 현시대가 제시하는 최선의 답이다. 간혹 지진처럼 불쑥 나타난 미완의 요소에 의해 흔들리고 무너질 수도 있지만, 과학 지식은 대체로 오랜 시간을 거쳐 견고한 구조물처럼 쌓아 올려지는 경우가 많다. 외형의 모습은 시계나 악기처럼 엄밀한 규칙에 따라 작동하는 구조를 지닌 듯 보이지만, 어딘가 잠재적 변화의 요소가 숨을 쉬고 있는 듯한 과학의 이런 모습을 무엇에 비유할 수 있을까?과학은 재즈를 닮았다. 특히 재즈의 ‘스윙’을 닮았다. ‘스윙’은 리듬에 이끌려 몸을 흔들다(swing) 춤을 추게 만드는 흥겨운 재즈의 한 장르를 지칭하기도 하지만 당기거나 끌려가는 듯한 찐득한 특유의 리듬을 의미하기도 한다. 하지만 ‘스윙’의 느낌은 개인마다 달라 음악의 보편적 규칙과 틀로는 담을 수 없다.과학도 그렇다. 신의 말씀이 적힌 똑같은 경전의 텍스트에 대해서 조금씩 다른 의미로 해석하는 다양한 종파처럼, 과학자들도 우주의 원리를 설명하는 특정 이론에 대해 전반적으로는 유사하게 이해하지만 각자 미묘하게 다르게 해석하는 부분이 있다. 같은 악보를 각자 다른 느낌의 ‘스윙’으로 연주하는 재즈연주가처럼, 과학 이론도 다양한 개성에 의해 다채로운 모습이 될 수 있다.이를테면 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 파이만, 위그너 같은 물리학자들은 동시에 두 곳에 존재할 수 있는 전자의 양자역학적 특성에 대해 각자 다른 느낌의 물리학 ‘스윙’을 지니고 있었다. 언뜻 생각하면 과학자 개성의 다양함이 혼란을 초래할 것 같지만 재즈가 지닌 변화와 유연함의 매력처럼 오히려 과학을 풍성하게 만들 수 있다. 어쩌면 과학적 창의성은 그곳에서 만들어지는지 모른다. 과학은 그렇게 진화한다.최근 SNS에서는 재즈 수업 중 나이 지긋한 백발의 스승이 ‘스윙’을 설명하는 영상이 화제가 되었다. 스승은 학생들의 합주를 멈추게 한 뒤 고개를 숙인 채 혼잣말처럼 이야기를 시작했다. “각자가 ‘스윙’을 해야 해. 드럼이 만들어 놓은 기반에 의지하는 것이 아니야. 혼자서 ‘스윙’을 해야 하네.” 그리고 직접 피아노 연주를 하며 ‘스윙’의 느낌을 들려주기 시작했다. 스승의 연주를 듣고 있던 학생들처럼, 아마도 전 세계 재즈 마니아들도 그의 연주를 들으며 탄성을 내뱉었을 것이다.틀에 박힌 방식으로 악보를 해석한 건조한 음악처럼, 경전을 암기만 한 동자승처럼, 연구를 막 시작한 이공계열 학생도 한동안은 자신이 배운 과학 이론을 법전처럼 받아들이고 단순히 적용하려고만 한다. 그러나 차츰 시간이 지나 자신만의 과학적 ‘스윙’을 발견하는 순간부터 진정한 과학의 맛을 알게 된다. 그 작은 ‘스윙’으로 자신만의 독특한 연구 색깔이 드러나고 독창적 과학이 만들어지기도 한다. 비단 과학뿐만 아니라 다른 학분 분야나 초등학생 교육 키워드로 등장하는 자기주도학습, 심지어 개인의 삶조차도 모두 자신만의 ‘스윙’에 의해 작동할 것 같다.절대성을 부여하는 순간부터 이론은 교조적 신앙이 되고, 개성이 반영되지 못한 획일성은 사유의 숨을 멈추게 한다. 그러므로 각자 자신만의 ‘스윙’을 발견하자. 그러기 위해선 재즈 스승의 말처럼 우선은 혼자서 ‘스윙’해야 한다.김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자

흔히 수학은 문제를 푸는 분야로 취급된다. 하지만 수학 전공자들은 증명과 이론의 논리 구조 이해에 더 많은 시간을 보낸다. 실용적 계산은 오히려 공대생들이 더 잘할 수 있다. 연습용 문제 풀이가 개념형성에 도움을 줄 수 있지만, 그것이 수학의 본질은 아니다.수학자의 문제는 입시 때 경험한 문제들과는 다른 느낌이다. 그들은 문제를 통해 의미를 찾아간다. 마치 하나의 화두에서 파생되는 여러 가지 질문들을 따라가다 갇혀있던 생각의 경계를 깨닫게 되는 구도자의 여정처럼 수학 문제는 경이로운 신세계를 향한 작은 문이다.가령, 허수 i는 단순히 제곱하면 -1이 된다는 사실로 끝나지 않는다. 실재적 실수와 비실재적 허수를 넘나드는 연산은 순환 대칭 닫힘에 대한 새로운 관점으로 확장되며 요소가 되는 수들 사이의 연산적 관계에 대한 고차원적 안목은 개별 명제 사이의 논리 관계로 구축된 언어 세계와 입자 사이의 상호작용으로 유지되는 물질세계의 구조에 대한 통찰까지 제공한다. 측정 전의 가능성을 묘사하는 미시세계의 양자 파동함수 역시 실수와 허수가 혼재된 복소수로 표현된다. 실마리를 찾아가는 무의식적 과정에는 세상에 대한 가치관과 원형적 감성까지 소환될 수 있다. 그러므로 수학자는 철학자나 예술가와 다르지 않고 수식은 시에 가깝다. 인간적 관점에서 보자면 수학은 사상이고 창작이다. 하지만 입시 위주의 교육 현실에서 이런 견해에 공감하기는 쉽지 않다. 그저 제한 시간 안에 문제를 풀어야 하고, 자신이 적은 답안지는 모범답안과 비교될 뿐이다. 정답을 비껴간 생각을 타인에게 설명할 기회는 허락되지 않는다.반면, 수학과 물리학에 오랜 전통을 지닌 나라의 교육방식은 조금 다르다. ○나 X로 가득한 시험 점수를 확인하는 것보다 대화와 토론이 주를 이룬다. 틀려도 자신이 시도한 방법의 이유와 근거를 설명해야 하며 스승은 정답을 설명하기보다 오답을 만들어낸 학생의 의도를 파악하는 데 많은 시간을 보낸다. 동료들도 틀린 길을 간 친구의 말을 끝까지 경청한다. 단순히 답을 찾기 위한 요령이 아닌 자신만의 눈높이에서 펼쳐낸 길고 긴 서사를 통해 씨앗이 된 생각에 대한 촘촘한 언어화가 이뤄지는 셈이다. 모양새만 보면 인문학 수업 같지 않은가.이런 교육풍토는 정돈된 수학 이론에 대한 이해 방식에서도 차이를 드러낸다. 입시교육이 짧은 시간 안에 가장 효율적으로 문제를 풀 수 있는 전략적 기법에 집중하게 만드는 반면 서사적 수학 교육은 학생들이 자신만의 고유한 이미지를 지니게 만든다. 설령 그 모습이 기존 설명 방식과 달라도 개의치 않는다. 충분히 논리적이라면 스승과 동료들은 각자가 지닌 이미지를 존중한다. 이런 개성은 기회가 주어진다면 언젠가 난제를 해결할 독창적 발상으로 진화할 수 있다.어릴 적부터 선행학습의 유행에 끌려오지만 최근 대학 신입생들의 수학 기초개념은 오히려 퇴보하고 있다. 사교육을 통해 배운 기법들은 당장은 수능점수를 올려줄 수 있겠지만 수학에 대한 자신만의 이야기를 만들어주지는 못한다. 초등학생 때 중학교 수학 문제를 풀고, 중학생 때 고등학교 수학 문제를 풀 수 있다는 사실보다 중요한 것은 내면화된 자신만의 수학적 서사다. 4차 방정식 풀이에 고무된 수학자들 대다수가 5차 방정식 해법에 집중했던 200여 년 전, 세상이 외면한 한 10대 소년은 수와 연산 사이의 관계와 대칭적 구조에 대한 독특한 관점으로 5차 이상의 방정식에는 대수적 해법이 존재할 수 없음을 알아냈다. 하지만 무명 시인의 유작 시처럼 스무 살에 생을 마감한 그의 수학적 서사가 세상에 드러나기까지는 오랜 시간이 필요했다.올해 드디어 한국 출신의 수학자에게 필즈 메달이 수여되었다. 고등학교를 자퇴하기 전 그는 시인을 꿈꾸었단다. 수학 시간에도 학생들에게 자신만의 수학 이야기를 할 기회를 주면 어떨까. 이를테면 미술관 그림이나 시를 감상하듯 느리고 긴 마주하기를 통해 내면화된 각자의 수학적 서사와 다채로운 상상을 함께할 수 있는 문학적 수학 시간.이제 우리도 점수와 시간에 대한 강박과 조급함을 내려놓고 수학을 문화로 즐길 수 있는 품격이 필요하다.김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수http://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code=1700 key=20220712.22022001798

한의과학과 신화경 교수팀과 광메카트로닉스공학과 홍석원 교수팀이 LED(발광다이오드)를 이용한 동물용 뇌자극기기를 개발해 광자극에 의한 뇌졸중 후 뇌기능 회복 기전을 규명했다. 광자극(photobiomodulation)은 뇌졸중 후 조직기능을 개선하고 재생능력을 향상시킬 수 있는 기술로 그 가능성을 주목 받아 왔다. 기존의 단순한 광자극 치료에서 다양한 약물, 자극패턴, 자극부위 등을 조합한 복합치료 기술 개발의 필요성이 제기되고 있는 가운데, 부산대 연구팀이 이러한 복합치료 기술 개발을 위한 연구로 정교한 자극을 동물실험에서 구현하기 위해 쥐의 신체구조에 맞는 동물용 초소형 LED기반 광자극 실험장치를 개발한 것이다.연구팀이 개발한 광자극기기는 마우스 동물모델에서 뇌신경조절을 위해 유연한 기판을 통합하는 패키징 된 LED로 구성된 가볍고 작은 소형 전자장치 시스템이다. 이 이식형 장치 플랫폼을 사용해 뇌졸중 동물모델의 두개골에 부착해 광자극을 통해 뇌졸중 예방 및 치료효과를 연구했다.연구 결과, 630nm LED array(배열)를 사용한 광자극이 허혈성 뇌 손상 후 뇌경색 크기 및 신경계 손상을 줄이는 데 가장 효과적이고, 특히 뇌졸중 후 만성 단계에서 공간 학습 및 기억 능력을 현저하게 향상시켰다. 이는 광자극이 AIM2 inflammasome(염증소체) 활성화 및 inflammasome-mediated pyroptosis(염증소체 매개성 파이롭토시스)를 감소시키고, microglial polarization(미세아교세포 분극)을 조절함으로써 인지기능을 회복시킨 것으로, 광자극이 잠재적으로 급성 뇌졸중 손상 및 뇌졸중 후 인지 장애에 대한 안전하고 효과적인 뇌기능 회복 기술이 될 수 있음을 보였다.a) 광자극 적용을 위한 두개골에 이식 가능한 플렉시블 LED 전기소자 적용 개념도b) 국소부위 적용을 통한 급성 뇌졸중 마우스 실험 과정c) 광자극 효과에 관한 메커니즘 모델 제안 이번 연구를 통해 개발된 LED기반 광자극기기는 뇌졸중은 물론 치매, 뇌전증, 정신장애 등의 난치성 뇌질환 연구로 더욱 확장될 수 있을 것으로 기대된다.이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업, 중견연구지원사업, 선도연구센터(ERC) 지원사업으로 수행됐다. 해당 논문은 소재 분야의 세계적인 학술지 『어드밴스드 사이언스(Advanced Science)』 4월 14일자로 출판됐고, 연구의 우수성을 인정받아 Inside back cover로 선정됐다.- 논문 제목: Benefits of a Skull-Interfaced Flexible and Implantable Multilight Emitting Diode Array for Photobiomodulation in Ischemic Stroke(두개골에 적합한 유연하고 이식 가능한 다중 발광 다이오드 어레이 광자극기기를 이용한 허혈성 뇌졸중 연구)- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104629* 상단 사진: 『어드밴스드 사이언스(Advanced Science)』 Inside back cover로 소개된 부산대 연구 성과. 인물 왼쪽부터 논문 교신저자인 신화경 교수와 홍석원 교수[Abstract]Photobiomodulation (PBM) has received attention due to its potential for improving tissue function and enhancing regeneration in stroke. A lightweight, compact, and simple system of miniaturized electronic devices consisting of packaged light-emitting diodes (LEDs) that incorporates a flexible substrate for in vivo brain PBM in a mouse model is developed. Using this device platform, the preventive and therapeutic effects of PBM affixed to the exposed skull of mice in the photothrombosis and middle cerebral artery occlusion stroke model are evaluated. Among the wavelength range of 630, 850, and 940 nm LED array, the PBM with 630-nm LED array is proved to be the most effective for reducing the infarction volume and neurological impairment after ischemic stroke. Moreover, the PBM with 630 nm LED array remarkably improves the capability of spatial learning and memory in the chronic poststroke phase, attenuates AIM2 inflammasome activation and inflammasome-mediated pyroptosis, and modulates microglial polarization in the hippocampus and cortex 7 days following ischemic stroke. Thus, PBM may prevent tissue and functional damage in acute ischemic injury, thereby attenuating the development of cognitive impairment after stroke.- Paper Title: Benefits of a Skull-Interfaced Flexible and Implantable Multilight Emitting Diode Array for Photobiomodulation in Ischemic Stroke - Authors: Hyunha Kim, Min Jae Kim, Young Woo Kwon, Sangheon Jeon, Seo­Yeon Lee, Chang­Seok Kim, Byung Tae Choi, Yong­Il Shin, Suck Won Hong, and Hwa Kyoung Shin (Pusan National University)- URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104629 ?

부산대 정세영 교수 공동연구팀, 구리산화의 원리 원자 수준에서 세계 최초 규명- 산소진입 경로의 규명 및 산소가 스스로 산화를 막는 박막기술 개발, 네이처지 게재 -□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)는 정세영 교수(부산대학교)·김영민 교수(성균관대학교)·김성곤 교수(미시시피주립대학교) 연구팀이 마치 벽돌로 쌓은 담이 한 층의 높이를 나타내 듯 단원자층 수준의 거칠기*를 가진 초평탄 구리박막을 이용하여 구리의 산화 작동 원리를 이론과 실험에서 세계최초로 규명했다고 밝혔다. * 단원자층 수준의 거칠기: 벽돌로 담을 쌓듯이 박막은 원자를 하나씩 규칙적으로 쌓아 만들어지는데, 완성된 박막 표면에 들쑥날쑥한 높이를 표면거칠기라고 함. ㅇ 과기정통부 개인기초연구(중견연구) 및 집단연구지원(기초연구실) 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 네이처(Nature)에 03월 17일 게재되었다.□ 기존 연구에서 초평탄면을 갖는 박막의 실현은 어려운 주제였으나 연구진은 자체 개발한 방법*으로 단원자층 수준의 초평탄 구리박막을 구현하여 산화가 일어나지 않음을 확인하였다. * 초평탄 금소단결정 박막을 제조하기 위하여 연구진이 자체 개발한 박막 성장 장치로 ASE(atomic sputtering epitaxy)라 함. 기존 박막 성장장치를 순수 자체기술로 개조하여 초평탄 박막을 대면적으로 성장시킬 수 있으면서도, 장비 가격이 매우 경제적이어서 향후 고가의 박막성장 장비를 대체할 수 있을 것으로 보인다. ㅇ 고분해능 투과전자현미경 등을 사용하여 1년간 공기 중에 노출된 초평탄 구리박막을 관측한 결과, 일반적으로 구리표면에서 관찰되는 자연 산화막은 물론이고 원자 한층 수준의 산화조차도 관찰되지 않았다. ㅇ 또한, 산소가 구리 내부로 들어가기 위한 에너지 변화를 계산한 결과, 표면 거칠기가 두 원자 층 이상일 경우 구리 내부로의 산소 침투가 쉽게 진행되는 반면, 완벽하게 평평한 면 이거나 단원자층 일 때는 산소 침투를 위해 매우 큰 에너지가 필요하기 때문에 상온에서는 산화가 일어나지 않음을 밝혔다. ㅇ 더하여 초평탄 박막 표면에 존재하는 산소는 산소가 존재할 수 있는 자리의 50%가 차면 더 이상 다른 산소가 접근하지 못하도록 밀어내어 산화를 억제하는 자기-조절 기능이 있음을 밝혔다. 구리산화에 대한 도식적인 모델(왼쪽)과 표면 거칠기에 따른 산소 침투 에너지의 변화 및 투과전자현미경 표면 분석 □ 본 연구는 산업전반에 사용되는 구리의 산화 원인을 정확히 밝혔다는 점, 경제적으로는 나노회로 등에 사용되는 금을 구리 박막으로 전면 교체할 수 있는 계기를 마련한 점이 중요하다고 할 수 있다. ㅇ 또한, 원자 한 층 수준의 박막을 성장하는 자체기술을 개발하였다는 데에 큰 의의가 있으며, 높은 전기 전도도를 가진 구리에 의한 금의 대체는 경제적 이점 및 장비 소형화 등에 기여할 수 있을 것이다. □ 정세영 교수는 “이번 연구성과는 구리 산화의 기원을 원자수준에서 규명한 세계 최초 사례”라며 “변하지 않는 구리의 제조 가능성을 열었다”라고 의미를 밝혔다.* 사진: 왼쪽부터 교신저자 부산대 정세영 광메카트로닉스공학과 교수, 제1저자 김수재 단결정은행연구소 연구원* 연구이미지 문의: 부산대 홍보실 051-510-1286

산업계 또는 가정에서 특정 독성물질을 80% 이상 효율적으로 포집하는 데 사용되는 ‘기체분리용 고기능성 고분자 시스템’의 설계 가능성이 제시됐다.광메카트로닉스공학과 홍석원 교수팀이 특정 분자를 인식하고 결합하는 기능성 고분자인 ‘분자각인 고분자(MIP)’*를 이용한 원통형 롤 스탬프 기반 나노임프린트 기술을 통해 다양한 필터 기재(機材)상에 마이크로/나노 구조의 연속 제작 및 대규모 패턴을 포함하는 고급 화학 여과 기술 설계에 성공했다.* 분자각인 고분자(MIP, Molecularly Imprinted Polymers): MIP는 포집하고자 하는 주형분자(template) 주위에 공유 또는 비공유성 중합반응을 통해 주형분자와 반응할 수 있는 기능을 가진 기능성 단량체(functional monomers) 그리고 고분자 메트릭스를 가교 결합할 수 있는 기능을 가진 가교제(cross-linker)의 혼합물을 중합함으로써 이뤄진다. 다음으로 중합된 고분자에서 주형분자를 제거함으로써 주형분자와 일치하는 입체 특이적 공극을 가지는 MIP가 합성 제조된다. 이는 고도로 선택적인 인식 부위를 갖는 고분자로서 생체 분자(예: 펩티드, 단백질, 당 등) 및 바이러스, 독성 화학물질을 포집하는 데 사용되는 차세대 고분자 시스템으로 널리 인식되고 있다. 최근 산업화에 따른 대기오염이 사회 문제로 대두되면서, 휘발성 유기 화합물(VOCs) 및 미세먼지를 걸러내는 기체 분리막의 수요가 크게 증가하고 있다. 우리가 흔히 사용하는 공기청정기는 물리적인 방식인데, 쉽게 생각해서 촘촘한 그물 같은 것이 오염물질을 붙잡아 걸러낸다고 보면 된다. 연구팀은 이 같은 물리적 여과와 함께 화학적 방식을 통해 선택적으로 대기오염 물질을 효과적으로 포집하면서 재사용도 가능한 기능성 기체 분리막 ‘MIP 멤브레인(membrane, 분리막)’을 개발하고, 실제 외부 환경 모사 실험에서 VOCs 중 포름알데히드를 선택적으로 포집할 수 있는 기체 분리막 시스템을 실험적으로 확인했다.(a) 원통형 롤 스탬프 기반 나노임프린팅 공정 개념도 및 실제 이미지(b) 분자각인 고분자 포집 메커니즘(c) 부직포 표면 상에 정렬된 나노 구조(line/spacing)의 SEM 이미지, (우측) 천공된 분자각인 고분자 나노구조의 라인패턴(d) 천공된 분자각인 고분자 멤브레인상 포름알데히드 포집 개념도이러한 MIP 기술은 제조과정이 단순하며, 저비용이면서도 안정성(고온 및 저온, 독성 환경, 산성 및 염기성 pH, 고압 등)을 갖는다.연구팀은 고성능 MIP 멤브레인을 제작하기 위해, 투명한 원통 나노금형(석영관)과 UV 광학 장치를 결합한 나노임프린팅 프로세스를 도입하고, 연속적인 대면적 패턴 제작으로 확장할 수 있는 교체 가능한 롤 몰드를 활용함으로써 재현 가능한 방식을 개발했다. ※ 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography): 나노 크기의 요철 패턴이 형성된 몰드로 기판상 도포된 수지를 눌러 가열하거나 광경화를 통해 고분자 수지를 나노패턴으로 전사하는 공정기술이다. 일반적으로 마이크로소자 제조를 위한 반도체 공정기술로 알려져 있다.연구팀이 개발한 ‘원통형 나노몰드 기반 나노임프린팅 기술’은 기존의 다른 원통 금형 기술과 달리 단단하거나 유연한 평면 기판뿐만 아니라, 마이크로 크기를 지닌 고르지 않은 표면(부직포)에도 나노 크기의 패턴을 적용할 수 있어 큰 성과를 얻었다. 또한 롤 몰드의 국부 압력과 속도 제어를 통해 멤브레인 상 천공된 필름 또는 마이크로/나노 구조체를 형성함으로써 비표면적*을 증가시켜 VOCs 포집 성능을 높였다.* 비표면적(比表面積): 물체의 단위 질량 당 표면적을 말하며, MIP 기술에서는 외부에 드러난 표면적이 증가할수록 포집할 수 있는 분자 단위의 영역이 증가하므로, 저농도 범위에서도 우수한 응답 특성을 나타낼 수 있다.이를 통해 다양한 패턴과 천공된 구조를 가지는 멤브레인을 제작해 특허등록을 완료했고, 멤브레인의 여과 성능을 평가하는 연구를 수행했다. 그 결과 필터 여재(濾材, 여과할 때 고체를 분리하는 데 쓰는 다공질의 재료)에서 MIP 멤브레인을 활용해 VOCs를 80% 이상의 효율로 제거하는 데 성공했다.이번 연구를 통해 개발한 MIP 멤브레인 제작 시스템은 제작 용이성, 대량 생산 가능성 등의 장점으로, 포집하고자 하는 타깃이 정해지면 다양한 분리막 장치를 위한 플랫폼으로 활용 가능하다. 이는 화학 여과뿐만 아니라 바이러스 제거, 단백질 추출 여과기, 수처리 필터 등에도 적용될 수 있어 연구가 더욱 확장될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 산업통상자원부와 창의산업기술개발 기반구축사업에서 지원하는 나노금형기반 맞춤형 융합제품 상용화지원센터 구축과제를 통해 수행됐다. 해당 논문은 소재분야의 세계적인 학술지 『스몰(Small)』 2021년 12월 29일자로 출판됐고, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문(Front cover)으로 선정됐다.- 논문 제목: Rotating cylinder-assisted nanoimprint lithography for enhanced chemisorbable filtration complemented by molecularly imprinted polymers(분자 각인 폴리머로 향상된 선택적 화학 여과 장치 개발을 위한 원통형 롤 스탬프 기반 나노임프린트 리소그래피) - 논문 링크: https://doi.org/10.1002/smll.202105733* 사진: 왼쪽부터 저널 표지, 홍석원(교신저자) 교수, 박로운·전상헌(공동 제1저자) 박사과정생[Abstract]Rotating cylindrical stamp-based nanoimprint technique has many advan-tages, including the continuous fabrication of intriguing micro/nanostruc-tures and rapid pattern transfer on a large scale. Despite these advantages, the previous nanoimprint lithography has rarely been used for producing sophisticated nanoscale patterns on a non-planar substrate that has many extended applications. Here, the simple integration of nanoimprinting process with a help of a transparent stamp wrapped on the cylindrical roll and UV optical source in the core to enable high-throughput pattern transfer, particularly on a fabric substrate is demonstrated. Moreover, as a functional resin material, this innovative strategy involves a synergistic approach on the synthesis of molecularly imprinted polymer, which are spatially organ-ized free-standing perforated nanostructures such as nano/microscale lines, posts, and holes patterns on various woven or nonwoven blank substrates. The proposed materials can serve as a self-encoded filtration medium for selective separation of formaldehyde molecules. It is envisioned that the combinatorial fabrication process and attractive material paves the way for designing next-generation separation systems in use to capture industrial or household toxic substances.* Authors- (Corresponding author) Pusan National University, Prof. Suck Won Hong- (First author) Pusan National University, Sangheon Jeon, Rowoon Park

아이는 다가올 날을 손꼽아 기다리거나 나이만큼 손가락을 펼쳐 수를 익힌다. 처음 마주하는 수는 대부분 다섯 손가락으로 충분하나 차츰 열 손가락이 필요한 수도 경험하게 된다. 이 무렵 아이에게 두 손은 분리된 세상이고 열 손가락을 넘어선 수는 감당하기 힘든 우주 밖이다. 그러므로 다섯 밤을 자고 찾아온 여섯 살 생일날, 친구와 가족에게서 받은 열 개가 넘는 선물은 가늠할 수 없는 행복이다. 십진법은 그렇게 열 개의 손가락으로부터 생겨났다. 1부터 10까지를 표현하는 다양한 기호가 등장했고 마지막 10은 새로운 하나가 되었다. 만약 1부터 9까지를 줄기(∫)의 개수로 나타내고 10을 꽃 한 송이()로 표현한다면 20은 두 송이의 꽃()이 필요하고 99의 표기는 9개의 과 9개의 ∫을 사용하는 번거로운 작업이 된다. 결국 백, 천, 만 같은 큰 수는 달(), 태양(), 별(★) 같은 다른 모양의 기호를 필요로 한다. 하지만 모양이 다른 기호들 사이의 개연성은 미흡하다. 가령, 별(★)이 태양()보다 멀리 있어서 큰 수라 생각할 수 있지만 눈부심 정도로 치자면 태양이 우세하다. 반면 ‘없음’의 상태를 표기하는 것과 ‘자릿수’에 대한 개념을 사용하면 큰 수도 일관성 있는 방식으로 표기할 수 있다. 너무도 익숙한 인도-아라비아 방식의 표기 ‘10’을 보자. ‘9’는 한 개의 자릿수를 차지하지만 ‘10’은 머물던 첫 번째 자리를 비우고 다음 자리의 새로운 하나로 변신한다. 결과적으로 (100), (1000), ★(10000)과 같이 이질적인 상형 기호들의 큰 수를 ‘없음’의 0과 ‘있음’의 1로 일관성 있게 아우를 수 있다. 대화하는 동안 손가락이 쉽게 눈에 띄기는 하지만 발가락 수를 합쳐도 열 개다. 맨발이 일상인 원시 사회에서는 손가락과 발가락 수를 모두 합친 20도 지극히 자연스러운 수였을 것이다. 프랑스어는 80을 4×20라고 표현한다. 따라서 89는 4×20+9이고 99는 4×20+19다. 이렇게 20을 기본 단위로 수를 세는 방식은 다양한 고대 유럽어와 아프리카 아시아 북미 중남미 원주민의 언어 속에서도 발견된다. 순우리말에는 열(10¹), 온(10²), 즈믄(10³), 골(10⁴)이라는 단어가 존재하지만 마야인들은 20진법의 자릿수에 해당하는 kal(20¹), bak(20²), pic(20³), calab(20⁴)이라는 단어를 사용했다. 북미 인디언 중에는 인간을 20으로 보는 부족도 있다. 10진법의 수가 양손이 만들어 낸 우주라면 20진법의 수는 손발이 만들어 낸 우주인 셈이다. 반면 파푸아뉴기니 원주민들은 27이라는 차별화된 기준을 사용한다. 왼손 새끼손가락부터 엄지까지 차례대로 1부터 5까지를 대응시킨 다음 왼쪽 손목(6), 왼쪽 아래팔뚝(7), 왼쪽 팔꿈치(8), 왼쪽 위팔뚝(9)을 지나 왼쪽 어깨(10)에 도달한다. 이후 왼쪽 목(11), 왼쪽 귀(12), 왼쪽 눈(13)을 지나 신체의 중심인 코(14)를 기점으로 각각의 왼쪽 부위의 오른쪽 대칭 지점을 따라가며 27의 오른손 새끼손가락까지 도달한다. 이렇게 몸의 다양한 부위를 만져 표현하는 그들에게 수는 현대인들과는 전혀 다른 이미지를 준다. 예를 들어 “오늘 물고기 몇 마리 잡았느냐”는 질문에 왼쪽 귀를 만지며 12라는 수를 알려줄 수도 있지만 “왼쪽 귀만큼 많은 물고기”라는 독특한 비유도 가능하게 한다. 수비주의적 문명인들에게 12개월로 구성된 1년이라는 시간은 12개의 음이 만든 12개의 조(key)처럼 12개의 별자리와 12종류의 동물을 거쳐 회귀하는 반면 파푸아뉴기니 원주민에게 삶은 27을 기준으로 순환한다. 이를테면 세월이 몸을 타고 한 번 순환하면 청춘(27)이 지나가고 두 번의 회귀(54)로 노년이 다가온다. 아마도 문어나 닭이 지배하는 외계행성에서는 8진법을 사용하고 고양이 왕국에서는 4진법이나 18진법을 사용할 가능성이 유력하다. 전류의 on/off가 신호인 전자기계는 2진법을 사용하고 컴퓨터는 16진법의 수로 정보를 처리한다. 세상의 모든 사건을 수로 정보화하는 첨단 시대에 걸맞게 신체 부위를 이용한 자신만의 N진법으로 지난 시간을 새롭게 정돈해 보면 어떨까?부산대 교수·광메카트로닉스공학과‘감성물리’ 저자

■ 저자가 말하다_ 『시와 그림으로 읽는 감성물리』 (김광석 지음, 부산대학교출판문화원, 517쪽, 2021.07)물리학은 수학이라는 언어로 표현된다. 낯선 기호를 사용하는 수학적 표현에 익숙하지 않은 이들에게 수식으로 기술된 물리학 전공 책은 읽을 수 없는 고대 문자와 별반 다를 바가 없다. 마치 라틴어를 모르는 자는 읽을 수 없었던 중세의 성경책처럼 물리학 서적은 수학이라는 언어적 장벽을 지니고 있는 셈이다. 좀 뜬금없는 질문이지만 만약 현재 인류에게 재앙이 닥쳐 디지털 문명과 나노기술이 모두 사라진다면 지금까지 이룩해놓은 과학 지식과 유물을 발견할 미래 인류는 어떤 고고학적 경험을 하게 될까? 그들은 과연 종이가 아닌 디지털 문헌에 기록된 자료들을 복원해 지금의 인류가 이룩한 과학기술을 되살릴 수 있을까? 디지털 자료 복원이 어렵다면 그나마 종이책에 남겨진 수학과 물리학의 낯선 기호들의 의미를 해독해 낼 수 있을까? 아마도 미래의 후손들에게 그 작업은 지금의 그 어떤 고고학적 미스터리보다 더 어려운 작업이 될 것 같다. 이렇게 미래 인류가 일종의 지적 단절 상황과 마주할 운명이라면 지금의 우리는 그들에게 구체적이고 방대한 내용을 담은 교과서보다 스스로 답을 찾아갈 수 있는 영감의 씨앗을 알려주는 것이 더 효율적이지 않을까?고대의 현자들은 그들의 지혜를 쉬운 우화나 비유의 형식으로 남겼다. 나라와 문화가 달라도 대체로 신화나 종교적 우화는 쉽게 공감할 수 있는 방식으로 그 내용을 풀어내고 있다. 그들이 후대 자손들에게 전달하고자 했던 내용은 많고도 어려운 것이었겠지만 세대를 거쳐 전달되는 그 이야기는 겉으로 보기에는 일단 친숙해 보인다. 하지만 고전이 지닌 함축성은 동결 건조된 미역 같아서 물의 온도가 올라갈수록 항상 겉보기 이상의 분량으로 부풀어진다. 이를테면 상징과 비유로 압축된 천 년 전 신화나 우화 속 통찰의 덩어리는 사유의 살과 상상력의 피가 더해질수록 점점 부풀어져 하나의 생명체처럼 되살아날 수 있다. 합리성과 객관성으로 대표되는 과학은 분명 신화나 종교적 지혜와 결이 다른 지식이다. 과학 지식은 내용 자체보다 물질적 증거와 수학을 사용한 정량적 분석 그리고 그 분석 자료를 기반으로 하는 합리적인 추론과 사유를 배워 나갈 수 있다. 나아가 이런 과학적 비판 능력은 비과학적 선동과 비합리적 맹신을 걸러낼 수 있는 안목을 만들어 준다. 하지만 초보자들에게 과학 지식은 첫 만남에서 상식이나 감성적 측면에서 공감하기 어려운 장벽으로 다가온다. 특히 물리학이라는 신비의 섬 주변은 수학이라는 낯선 언어의 장벽들로 둘러싸여 있어서 당최 이해할 수 없는 이질적인 대상으로 취급되거나 이해하기 어렵다는 사실이 오히려 물리학을 과도한 경외의 대상으로 만들어버리기도 한다. 저자는 이런 물리 지식에 대한 이질감을 감성적 방법으로 완화시켜 보려 한다. 이를테면 유년 시절 읽었던 동화 속 이야기들이 어른이 되어갈수록 더욱 그 의미와 깊이가 새로워지는 것처럼, 물리 이론의 원형이 되는 영감을 상징과 은유로 응집된 양분처럼 시와 그림에 녹여 넣으려 했다. 이 책은 크게 수학, 고전물리, 현대물리로 구성되어 있다. Part-I 낯선 언어 에서는 ‘수포자’라는 단어로 대표되는 우리 사회가 지닌 수학에 대한 거부감을 다루면서 수학은 제한된 시간 안에 주어진 문제들을 풀어야 하는 조급함과 점수 스트레스를 제공하는 것이 아니라 시적이고 회화적인 속성을 지닌 하나의 낯선 언어라는 이야기를 하고 있다. Part-II 고전물리 에서는 입자의 힘과 운동, 소리와 빛의 파동, 전기/자기 현상을 다룬다. 상식 차원에서 어느 정도 익숙한 물리 현상들을 다루는 고전물리는 가급적 물리 이론에 대한 설명보다 물리적 현상에 문학적 감성을 투사하고 있다. 이런 접근은 물리학 지식에 대한 기존 방식의 설명이 지닌 딱딱함을 조금 부드럽게 만들 수도 있는 교육적 효과와 함께 문학이나 예술의 관점에서 물리 이론을 새로운 콘텐츠로 활용하는 영감을 줄 수도 있을 것 같다. Part-III 현대물리 에서 다루는 상대성이론, 통계역학, 양자물리는 비전공자들에게 낯설고 어려운 개념과 내용 설명이 상대적으로 많아 글의 호흡이 길고 난이도가 있다. 하지만 인간이 감지하기 어렵거나 일상의 상식과 상충하는 현대물리의 내용들은 사실상 현대철학자나 예술가들의 고민과도 연결된다.다가올 시대에는 과학기술과 인문/예술의 경계에서 다양한 연결망이 맺어지거나 새로운 개체화가 진행될 것이다. 아마도 물리학은 그 중심부에 위치할 가능성이 크다. 그러므로 물리학은 선택적 전공지식이 아니라 교양 지식이 되어야 한다. 쉽지 않은 동화책이 되겠지만 이 책 속의 시와 그림이 제공하는 다양한 은유와 상징적 이미지들을 통해 어렵고 딱딱해 보였던 물리학에 조금 가까이 다가설 수 있기를 희망한다.김광석 부산대·물리학출처 : 대학지성 In Out(http://www.unipress.co.kr)

http://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code=1700 key=20210601.22022008937 kid=022000