광메카트로닉스공학과

광메카트로닉스공학과 김승철(사진) 교수 연구팀은 가스의 밀도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 초고정밀 광빗* 기반 플라즈모닉 위상분광 기술을 개발했다. 이 기술은 빛의 정밀한 주파수 신호(광빗)와 특수한 나노 구조 플라즈모닉을 활용해, 단일 가스 원자 수준에서 밀리세컨드(1000분의 1초) 속도로 변화를 감지할 수 있다. 매우 미세한 가스 변화도 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 최첨단 센서로, 환경 감시, 정밀 제조, 의료 분야 등 다양한 활용이 기대된다.* 광빗: 빛스펙트럼이 머리빗(comb)을 닮아 붙여진 이름.김승철 교수 연구팀은 KAIST 연구팀과 함께 고안정성 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저 광빗*을 광원으로 활용해 높은 정밀도를 확보하고, 나노 구조체와 빛의 상호작용인 표면 플라즈몬 공명** 현상을 통해 나노 구조체 표면에서의 광자-기체 상호작용을 극대화함으로써 가스에 대한 극한의 민감도와 분해능(分解能)을 달성했다. 이를 통해 직경 200나노미터의 나노 홀에서 0.06개의 원자를 검출할 수 있는 수준의 초고해상도(△n=1.45*10?¹¹)를 성공적으로 시연하고 검증했다.* 펨토초 레이저 광빗(Frequency comb): 매우 일정한 간격으로 배열된 수많은 광학 주파수 모드를 넓은 파장대역에 걸쳐 생성하는 광원.** 표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance): 금속과 유전체 경계에서 입사광과 자유전자의 집단적 진동이 공명해 발생하는 현상.【펨토초 레이저 광빗 기반 플라즈모닉 위상분광 기술의 원리】최근 마이크로스케일 환경에서 빠른 화학 및 생물학적 상호작용을 이해하기 위해 단일 분자 수준의 해상도를 가지는 동역학 모니터링에 대한 연구가 관심을 끌고 있다. 특히, 바이오 및 화학 상호작용의 시간은 마이크로몰 복합체의 경우 1초 미만인 서브초에서 수 분의 시간이 걸리므로 이러한 결합을 정밀하게 모니터링할 수 있을 만큼의 충분히 빠른 검출 속도가 요구된다.김승철 교수팀은 나노 패터닝 기술로 제작된 플라즈모닉 나노홀 어레이에서 비정상적 광 투과 현상(Extraordinary optical transmission)이 발생할 때, 공명 조건에 가까운 파장에서 가파른 위상 딥(Phase deep)이 나타나는 현상을 최초로 발견했다. 이를 기반으로, 플라즈모닉 나노홀 어레이의 구조적 변화나 표면의 미세한 굴절률 변화를 감지해 위상 딥의 이동(shift)을 포착하는 새로운 방식의 위상분광법을 개발했다. 기존 표면 플라즈몬 공명(SPR) 기반 분광법은 광강도 측정에 의존해 외부 환경 노이즈에 민감해 분광 정밀도를 극대화하는 데 한계가 있었다. 그러나 위상은 빛이나 파동이 주기적으로 진동하는 과정에서 특정 순간의 상대적인 위치를 나타내는 것이므로 외부 요인의 영향을 덜 받아 더 안정적이며, 이를 통해 분광 성능을 크게 개선할 수 있다. 【바이오리셉터와 플라즈모닉 위상분광 기술의 결합을 통한 초정밀 바이오 센서로의 확장 가능성】나아가, 이번 연구에서는 표면 플라즈몬 공명에 의해 형성된 강한 국소 전기장 구배(勾配, 기울기)를 통해 가스 상태의 분자를 포집할 수 있음을 실험적으로 증명했다. 이 광학 포집 효과는 플라즈모닉 나노홀 어레이 표면에 가스 분자를 끌어당겨 민감도를 크게 향상시켰다. 표면에 포집된 가스 분자들은 미세한 굴절률 변화를 일으켜 공명 조건이 변화하고, 이에 따라 위상 딥이 이동하게 된다. 연구팀은 이 위상 딥의 이동을 슈퍼 헤테로다인 분석법으로 고속 정밀하게 측정해, 단일 원자 수준의 미세한 동적 변화까지 감지할 수 있는 초고정밀 분광 기술을 구현했다. 이번 연구는 플라즈모닉 광학 구조 주변의 미세 부피에서 극한의 민감도를 시연함으로써, 향후 가스 분자뿐만 아니라 바이러스나 박테리아와 같은 인체에 유해한 생체 분자까지도 정밀하게 감지할 수 있는 바이오 센서로의 확장 가능성을 제시한다. 특히 박테리오파지(Bacteriophage, 박테리아를 숙주로 하는 바이러스)나 아프타머(Aptamer, 특정 분자에 특이적으로 결합하는 짧은 DNA나 RNA 분자)를 활용해 플라즈모닉 나노구조 표면에 선택성을 부여함으로써 높은 민감도를 통해 단순한 날숨만으로도 코로나19와 같은 팬데믹 바이러스를 감지할 수 있는 혁신적인 ‘광학 코(optic nose)’ 기술의 실현 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 【PhotoniX 저널의 표지논문으로 선정된 펨토초 레이저 광빗 기반 플라즈모닉 위상분광 기술 이미지】 이번 연구는 국제 학술지 『PhotoniX』 2024년 8월 13일자 표지논문으로 소개됐다.- 논문 제목: 단일 원자 수준의 미세한 기체 밀도 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 펨토초 레이저 광빗 기반 플라즈모닉 위상분광 기술 개발(Real-time monitoring of fast gas dynamics with a single-molecule resolution by frequency-comb-referenced plasmonic phase spectroscopy)- 논문 링크: https://doi.org/10.1186/s43074-024-00140-9 [Abstract]Surface plasmon resonance (SPR) sensors are based on photon-excited surface charge density oscillations confined at metal-dielectric interfaces, which makes them highly sensitive to biological or chemical molecular bindings to functional metallic surfaces. Metal nanostructures further concentrate surface plasmons into a smaller area than the diffraction limit, thus strengthening photon-sample interactions. However, plasmonic sensors based on intensity detection provide limited resolution with long acquisition time owing to their high vulnerability to environmental and instrumental noises. Here, we demonstrate fast and precise detection of noble gas dynamics at single molecular resolution via frequency-comb-referenced plasmonic phase spectroscopy. The photon-sample interaction was enhanced by a factor of 3,852 than the physical sample thickness owing to plasmon resonance and thermophoresis-assisted optical confinement effects. By utilizing a sharp plasmonic phase slope and a high heterodyne information carrier, a small atomic-density modulation was clearly resolved at 5 Hz with a resolution of 0.06 Ar atoms per nano-hole (in 10?11 RIU) in Allan deviation at 0.2 s; a faster motion up to 200 Hz was clearly resolved. This fast and precise sensing technique can enable the in-depth analysis of fast fluid dynamics with the utmost resolution for a better understanding of biomedical, chemical, and physical events and interactions.* Reference- Authors (Pusan National University): Seungchul Kim (Department of Optics and Mechatronics Engineering)- Title of original paper: Real-time monitoring of fast gas dynamics with a single-molecule resolution by frequency-comb-referenced plasmonic phase spectroscopy- Journal: PhotoniX- DOI: https://doi.org/10.1186/s43074-024-00140-9

[과학에세이] 공의 경험이 알려준 것들김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자 | 입력 : 2024-09-09 18:31:01 | 본지 22면글자 크기 페이스북 공유트위터 공유네이버 공유인쇄기사 주소 복사스크랩돌이켜보면 다양한 공놀이를 하면서 나이를 먹은 것 같다. 초등학생 때는 축구와 야구를, 중학생 때는 배드민턴과 탁구를 즐겨하다 키가 훌쩍 자란 고등학생 때는 농구나 배구도 했다. 그러다 대학에 들어간 후엔 당구와 테니스를 배웠고 중년 나이부터는 가끔 골프도 한다. 평생 다양한 공을 가지고 놀면서 나는 어떤 삶의 지혜를 배웠을까? 오랜 세월 공놀이의 경험이 쌓여 지금의 구기 스포츠가 만들어졌다면 그 속에도 인간 고유의 본능과 욕망이 숨겨져 있지는 않을까?구기 스포츠는 종목에 따라 각기 다른 풍경을 보여주지만 서로 비슷한 측면을 지닌 종목도 있다. 일단 축구 야구 배드민턴 탁구 농구 배구 테니스 골프 공들 모두 중력에 반해 허공 속으로 날아올라 궤적을 남긴다. 흔히 비스듬히 던진 공의 궤적을 포물선으로 알고 있지만 공기 저항 탓에 실제 모습은 포물선과 다르다. 현실의 공은 처음엔 비탈진 직선에 가깝게 곧장 날아오르다 속력이 점차 느려지며 봉우리 같은 곡선의 모습을 드러낸다. 최고 높이에 도달한 후에는 생각보다 가파른 모습으로 떨어진다. 포물선 궤적이 최고점을 기준으로 상승과 하강 곡선이 대칭적인 모습인 것에 비해 현실의 공 궤적은 곡선 느낌을 지닌 비대칭 삼각형에 더 가깝다. 똑같은 초기 속력으로도 공이 가장 먼 곳에 도달할 수 있는 ‘최적각’ 역시 포물선 모형은 45°로 예측하지만, 실제는 그 값보다 작아야 한다. 홈런을 치려면 38°, 골프 비거리를 늘리려면 36°가 최적이다.공기 저항은 공의 크기에 따라서도 달라지고, 공의 속력과 공기 점성의 비율에 따라서도 급변할 수 있어서 현실의 공 궤적 계산은 결코 쉬운 문제가 아니지만 최근 프랑스 물리학자들은 공기 저항 효과를 고려한 후 다양한 구기 스포츠의 ‘최장거리’를 계산했다. 종목별 공의 최대 초기 속력은 기네스북에 등재된 기록을 활용했다. 그런데 놀랍게도 구기 종목별 경기장의 크기가 공의 ‘최장거리’와 유사하다는 것을 알아냈다. 그러니까 경기장의 크기는 인간의 힘으로 한 번에 공을 보낼 수 있는 가장 먼 거리를 기반으로 정해진 셈이다. 즉, 농구 축구 야구 골프 순으로 공이 가장 멀리 갈 수 있는 거리가 증가하면서 경기장은 커진다. 그런데 자세히 살펴보면 축구 농구 골프의 경우에는 공의 ‘최장거리’에 비해 경기장이 조금 더 크다. 그래서 축구와 농구는 패스가 필요하고 골프는 홀 근처에서 섬세한 접근이 필요하다.반면, 테니스 배구 탁구는 공의 ‘최장거리’에 비해 경기장의 크기가 작다. 그래서 장애물 같은 네트가 필요하며 공이 경기장 밖으로 나가지 않게 하기 위한 ‘정밀성’ 높은 제어가 요구된다. 또한 공이 ‘최장거리’를 날아가는 시간이 인간의 몸이 반응하는 평균 시간보다 짧아져 긴박한 상황에 대한 ‘반응성’도 좋아야 한다. 따라서 테니스 배구 탁구는 ‘정밀성’과 ‘반응성’ 모두를 필요로 한다. 독특하게도 배드민턴은 경기장 크기가 공의 ‘최장거리’와 거의 비슷해서 ‘반응성’이 더욱 중요한 요소가 되며 상대적으로 공의 속력이 느린 당구는 ‘정밀성’만을 요구한다.상대와 상호작용을 하며 목표를 향한다는 측면에서 구기 스포츠는 어딘가 협상이나 연애와도 닮은 점이 있다. ‘썸을 타는’ 단계에선 배드민턴 같은 즉각적 ‘반응성’이 중요하며, 주도권 선점을 위한 밀당 단계에선 네트를 넘어온 테니스 배구 탁구 공들을 대하듯 빈틈을 파고든 위기 상황에 대한 민첩한 ‘반응성’과 ‘정밀성’ 높은 묘안이 모두 필요하다. 만약 극도로 예민해진 상황이라면 당구 같은 ‘정밀성’에도 주력해야 한다. 최종 목표에 도달하기 위해선 홈런처럼 한 번에 상대의 마음을 얻을 수 있는 최적 조건을 생각해야 하고, 간혹 축구나 농구처럼 친구의 도움도 필요하다. 닿을 수 없을 만큼 먼 곳에 있는 골프 홀 같은 상대에게는 우선은 드라이브샷처럼 과감하게 다가서야 하지만 그린 영역에 들어서면 아주 조심스러워야 한다. 미세하게 기울어진 지면과 매 순간 변하는 바람조차 간과해서는 안 된다. 어쩌면 지난 세월 공의 경험이 알려준 것들은 삶의 욕망과 열정이 현실과 마주하는 방법에 대한 지혜가 아니었을까?ⓒ국제신문(www.kookje.co.kr), 무단 전재 및 재배포 금지

김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수 | 2024.06.03 19:33??미술관 개인전은 그림일기 같다. 입구에서부터 동선을 따라 전시된 각각의 그림 속에는 작가의 역사가 응축돼 있다. 작은 핸드폰 화면에 QR코드가 인식되면서부터 연결되는 창처럼 그림 하나가 눈 속으로 들어오는 순간 새로운 세계가 펼쳐진다. 어떤 그림은 세상을 깨우는 새벽 사찰의 웅장한 범종 소리로 들리고, 어떤 그림에선 새들이 재잘거리는 듯한 피아노 선율이 들린다. 다음 그림을 만나기 전 마주하는 전시실 벽은 긴장 가득한 침묵의 쉼표 같다. 그러므로 벽을 따라 전시된 그림들은 악보처럼도 읽힌다. 악보를 통해 전달되는 음악적 서사처럼 그림들을 순서대로 감상하다 보면 언어로 풀어내지 못한 마음의 산과 파도가 느껴진다. 미술관 그림들도 동선을 따라 진동운동을 한다.전시실 동선을 따라가며 시간적 주기성을 느낄 수 있지만 관람을 마친 후 전시 공간 가운데 앉아 그림들을 찬찬히 둘러보고 있으면 벽과 벽 사이를 가로지르는 새로운 패턴을 얻을 수 있다. 물리학은 공간적으로 드러나는 파동의 규칙적 간격을 ‘파장’이라 부른다. 사실, 미술관에 진열된 그림들은 시간순이 아닐 수 있다. 큐레이터나 작가의 해석에 따라 작품의 순서는 재배치된다. 역사도 그렇다. 역사는 사건의 그림을 단순히 시간순으로 벽에 거는 작업이 아니다. 오히려 시간 축과 공간 축으로 구성된 시공간의 평면 위에 수많은 사건을 펼쳐놓은 뒤 새로운 풍경을 직조하는 작업이다.시간의 주기성은 기억에 의존한다. 즉, 과거의 장면들을 배열하는 역사의 반추를 통해 그 모습이 드러난다. 하지만 곰곰이 생각해 보면 우리는 시간적 전후를 공간적 앞뒤의 이미지로 표상화한다. 미술관 동선과 악보 모두 1차원적 공간 축이 시간 축의 기능을 하고 있다. 시간의 축은 공간의 축과 정말 구분되는 존재일까? 차라리 x축과 y축으로 만들어진 수학적 평면처럼 ‘시간’과 ‘공간’의 두 축으로 ‘시공간’ 평면을 만들면 어떨까? 분리된 시간과 공간의 실이 아니라 ‘시공간’이라는 직조된 면을 통해 역사의 실체를 제대로 볼 수 있지 않을까?파리에서 역사를 전공하던 한 문과생은 우연히 특수상대성이론이 묘사하는 놀라운 세상을 알게 되었다. “광속에 가깝게 움직이는 관측자의 경우, 달리는 속력의 크기에 따라 다른 풍경을 경험하게 된다. 심지어 정지한 관측자에게는 공간적으로 떨어진 두 장소에서 동시에 발생한 사건이었지만 빠른 속력으로 달리는 관측자에겐 서로 다른 시간에 일어난 별개의 두 사건으로 나타난다. 이렇게 관측자의 빠른 상대속력에 따라 ‘시공간’ 평면 위 사건들이 새롭게 조합될 수 있다면 원자처럼 작은 세상 속 전자는 시간적 주기성이 공간적 파장의 형태로 드러나지 않을까?” 이 도발적 상상을 증명하기 위해 그는 물리학을 학부 과정부터 새롭게 시작했고 20년 후 노벨물리학상을 수상한다. ‘물질파’ 이론을 만든 그의 이름은 루이 드브로이. frame id="aswift_1" name="aswift_1" sandbox="allow-forms allow-popups allow-popups-to-escape-sandbox allow-same-origin allow-scripts allow-top-navigation-by-user-activation" width="336" height="280" frameborder="0" marginwidth="0" marginheight="0" vspace="0" hspace="0" allowtransparency="true" scrolling="no" allow="attribution-reporting" src="https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?client=ca-pub-5306000737854769 output=html h=280 slotname=2195103960 adk=3698989487 adf=1588584931 pi=t.ma~as.2195103960 w=336 abgtt=3 lmt=1717548952 format=336x280 url=https%3A%2F%2Fwww.kookje.co.kr%2Fmobile%2Fview.asp%3Fgbn%3Dv%26code%3D1700%26key%3D20240604.22022000768%26fbclid%3DIwZXh0bgNhZW0CMTEAAR0PaOBrReGHEaQsoKrwMzIL4bFO1YL0yIznEcOtHbozv4TDV21kNFRrzyY_aem_AaOLTbXfKBNqozhDmZhPz2VWf5TI0cmnh61vPiDFmLA3j4WSA9CvRTEo1w7onAnvUD9e2UlrYDouh_CJ_ddeq9nt wgl=1 uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTAuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTI1LjAuNjQyMi4xNDIiLG51bGwsMCxudWxsLCI2NCIsW1siR29vZ2xlIENocm9tZSIsIjEyNS4wLjY0MjIuMTQyIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEyNS4wLjY0MjIuMTQyIl0sWyJOb3QuQS9CcmFuZCIsIjI0LjAuMC4wIl1dLDBd dt=1717548952314 bpp=1 bdt=587 idt=218 shv=r20240603 mjsv=m202405300101 ptt=9 saldr=aa abxe=1 cookie_enabled=1 eoidce=1 prev_fmts=0x0 nras=1 correlator=147566977431 frm=20 pv=1 ga_vid=1488341991.1717548952 ga_sid=1717548952 ga_hid=19928498 ga_fc=1 ga_cid=310839854.1717548952 u_tz=540 u_his=1 u_h=1440 u_w=3440 u_ah=1400 u_aw=3440 u_cd=24 u_sd=1 dmc=8 adx=361 ady=1121 biw=1922 bih=1078 scr_x=0 scr_y=0 eid=44759875%2C44759926%2C44759842%2C31084022%2C42532523%2C44795921%2C95329723%2C95334509%2C95334528%2C95334052%2C95334158%2C95334312%2C31078668 oid=2 pvsid=3141837952201102 tmod=699522474 uas=0 nvt=1 ref=https%3A%2F%2Fwebmail.pusan.ac.kr%2F fc=1920 brdim=68%2C152%2C68%2C152%2C3440%2C0%2C1955%2C1173%2C1939%2C1078 vis=1 rsz=%7C%7CaeEbr%7C abl=CA pfx=0 fu=0 bc=31 bz=1.01 psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDNd nt=1 ifi=2 uci=a!2 btvi=1 fsb=1 dtd=223" data-google-container-id="a!2" tabindex="0" title="Advertisement" aria-label="Advertisement" data-google-query-id="CK2Erbqgw4YDFZ9UDwIdsj0APA" data-load-complete="true" style="left: 0px; position: absolute; top: 0px; border-width: 0px; border-style: initial; width: 336px; height: 280px;"> /frame>‘물질파’ 이론은 양자 파동을 확률적으로 해석하는 현 물리학계의 해석과 다르게 특수상대성이론에 모티브를 두고 있었지만, 입자의 운동을 파동적으로 해석하는 새로운 통찰을 제공했다는 측면에서 큰 가치를 지닌다. 절대시간과 절대공간의 획일적 틀에서 벗어나 ‘시공간’이라는 혼합적 영역에서 상대적 관점으로 사건의 풍경을 재구성한다는 핵심 아이디어의 대담성은 역사 전공 중에 익힌 인문학적 통찰과 무관하지 않았을 것이다.최근 많은 대학이 분야 간 경계를 허문 다양한 무전공 융합 과정을 준비하고 있지만 대부분 뷔페 음식처럼 선택 과목의 분야만 넓힌 방식에 머물고 있다. AI가 전문 지식인마저 위협하는 격변의 시대에는 지식의 단순 습득만으로 충분하지 않다. 특정 이론의 뼈대가 되는 사유 구조와 핵심 모티브를 간파해 다른 관점과 비교하거나 융합하는 능력이 필요하다. 이를 위해선 틀에 박힌 암기보다 열린 토론과 협력적 창작 활동이 요구되며 생각의 재료에는 인문 예술 과학 기술의 경계도 없어야 한다. 다양한 색 맛 향을 지닌 재료에서 명품 요리 레시피를 찾아내는 셰프의 감각처럼 지식 융합에도 안목이 필요하다.ⓒ국제신문(www.kookje.co.kr), 무단 전재 및 재배포 금지

광메카트로닉스공학과 한동욱·홍석원 교수 연구팀과 융합의과학과 김윤학 교수팀이 미래 소재 혁신을 가져올 꿈의 물질로 각광 받고 있는 맥신(MXene) 나노입자의 근육 재생 효과를 검증하는 데 성공했다. 연구팀은 ‘체적 근육 손실(volumetric muscle loss, VML)’ 치료를 위한 맥신(MXene) 이식재 개발에 성공해, 맥신의 근분화(筋分化) 촉진 기전을 밝힌 연구 논문을 나노 및 마이크로 스케일의 연구와 응용 분야에서 세계적으로 인정받는 국제학술지 『나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)』 1월 4일자에 게재했다.- 논문 제목: Highly Aligned Ternary Nanofiber Matrices Loaded with MXene Expedite Regeneration of Volumetric Muscle Loss(맥신을 포함한 정렬된 나노섬유 지지체를 활용한 체적 근육 손실 재생)- 논문 링크: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01293-1‘체적 근육 손실(VML)’은 대규모 외상에 따른 골격근의 상당량(20% 이상) 손실을 의미한다. 이로 인한 근육 기능 상실과 같은 후유증이 있으며 의학계에서 조직공학 기반의 VML 치료 연구가 활발히 진행 중이다. 이번 연구에 활용된 ‘맥신(MXene)’은 이차원 나노입자로 구성된 물질로, 금속 카바이드나 탄화물을 에칭(etching, 표면을 부식시켜 제거·변형)해 얻어진다. 높은 전기전도성, 높은 열전도성, 우수한 기계적 강도 등의 물성을 갖고 있어 2011년 처음 발견된 이후 다양한 산업 분야에 활용돼 왔다. 최근에는 맥신의 여러 생물학적 특성이 알려지면서 생물·의학 분야에서 효능 연구가 이어지고 있다. 맥신의 생물학적 특성은 주로 독특한 구조적 특징과 관련 있다. 맥신 나노입자는 표면에 다양한 친수성 작용기를 갖고 있고, 페스츄리처럼 여러 개의 얇은 층으로 이뤄져 있어 여러 생체 분자 및 단백질의 흡착을 촉진한다. 이러한 특성을 통해, 맥신은 주변 세포의 부착을 유도하고 여러 신호전달 경로를 활성화시킨다. 또한, 특유의 광학적 특성과 낮은 독성, 화학적 개질(改質)이 용이한 특성 때문에 바이오센서, 의료용 이미징, 의료용 재료 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 폭넓게 연구되고 있다. 부산대 연구팀은 맥신 나노입자와 콜라겐을 생분해성 의료용 고분자에 혼합해 정렬된 나노섬유 지지체를 제작했으며, 동물실험을 통해 이 지지체가 손상된 근육 조직의 빠른 재생을 촉진한다는 것을 확인했다. 【맥신 나노섬유 지지체를 활용한 체적 근육 손실 재생 모식도】부산대 연구팀은 맥신(MXene) 나노입자, 콜라겐, PLCL 의료용 고분자로 구성된 나노섬유 지지체(PCM 지지체)를 개발해,마우스 체적 근육 손실(VML) 모델에 PCM 지지체를 이식한 후 평소보다 빠른 속도로 많은 양의 근육이 재생됨을 확인했다. 마우스 모델을 이용한 동물실험 결과, 비처치 대조군과 비교해 230% 빠른 근육 재생과 122% 많은 근섬유 재생이 확인됐다. 또한, 조직학적 분석을 통해 나노섬유 지지체 이식 일주일 후 대부분의 손상된 근육이 재생됐음이 관찰됐다.이러한 결과는 맥신 나노입자에 의해 축적된 칼슘 이온이 근원세포의 생존, 증식, 근관 분화, 그리고 근단백질 합성을 유도하는 신호전달 경로(iNOS/SGK1-mediated mTOR-AKT pathway)를 촉진시켰기 때문임이 밝혀졌다. 결과적으로, 맥신 나노입자는 평소보다 빠른 속도로 많은 양의 근육을 재생시켜 체적 근육 손실을 빠르게 회복할 수 있었다.한동욱 교수는 “근육 회복 과정에서 발현된 전체 유전자가 차세대 염기서열분석법(next-generation sequencing, NGS)을 통해 분석됐다”며 “이번 연구는 맥신 나노입자가 근분화를 촉진하는 분자생물학적 기전을 최초로 밝혔다는 데 의의가 있다”고 설명했다. 한 교수는 이어 “맥신 나노입자가 근육 재생에 대한 유망한 치료법으로 활용될 수 있다는 가능성을 보였으며, 추가 실험 및 공정 최적화를 통해 실제 임상에서도 활용될 수 있는 조직공학 기반 의료기기로 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.이번 연구는 인지메카트로닉스공학과 강문성 박사과정생, 의과대학 의학연구원 유연이 박사(연수연구원), 인지메카트로닉스공학과 박로운 박사과정생이 공동 제1저자, 한동욱 교수, 홍석원 교수, 김윤학 교수가 공동 교신저자로 수행했다. 산업통상자원부 재원으로 수행된 한국산업기술평가원 바이오산업핵심기술개발 사업, 과학기술정보통신부 재원으로 수행된 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업, 정부(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처) 재원의 범부처전주기의료기기연구개발사업단 등의 지원을 받았다.* 인물 사진: 왼쪽부터 홍석원 교수, 한동욱 교수, 김윤학 교수.[Abstract]Researchers at Pusan National University have achieved a groundbreaking milestone by confirming the muscle regeneration potential of MXene nanoparticles, a material anticipated to drive future innovations. Pusan National University, led by President Jeong-In Cha, revealed on the 25th, that a collaborative research team, headed by prof. Dong-Wook Han and prof. Suck Won Hong (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering), in conjunction with prof. Yun Hak Kim (School of Medicine), has successfully developed MXene-including nanofibrous matrices for treating volumetric muscle loss (VML). This research was published in the 4th January in ‘Nano-Micro Letters’, a globally recognized journal focusing on multidisciplinary research in nano- and micro-scale materials. MXene is two-dimensional nanoparticles obtained through etching metal carbides or nitrides. MXene's unique structural features hydrophilic functional groups and thin layered morphology, which result in specific optical properties, low toxicity, and easy chemical modification. These extraordinary characteristics endow them possibility to be applied in diverse biomedical fields such as biosensors, biomedical imaging, and medical devices.Han et al. reported that the developed hybrid nanofiber matrices, combining collagen, poly(l-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL), and MXene, showed 230% faster muscle regeneration and 122% more regenerated muscle fibers compared to the untreated control group. The underlying biological mechanism was unveiled, triggered by the accumulation of calcium ions within MXene, activating the iNOS/SGK1-mediated mTOR-AKT pathway. This activation fosters the survival, proliferation, myogenic differentiation, and protein synthesis of myoblasts.prof. Han emphasized the significance of the study, highlighting that it is pioneering attempt to unveil the biological mechanism by which MXene nanoparticles promote muscle differentiation. He expressed optimism about MXene's potential as a promising treatment for muscle regeneration, planning further experiments and optimization to develop MXene nanofibrous matrices into a tissue engineering-based medical device for clinical translation.* Reference- Authors (Pusan National University): Moon Sung Kang (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology), Yeuni Yu (Medical Research Institute, School of Medicine), Rowoon Park (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology), Suck Won Hong (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology), Yun Hak Kim (Medical Research Institute, School of Medicine), Dong-Wook Han (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology) - Title of original paper: Highly Aligned Ternary Nanofiber Matrices Loaded with MXene Expedite Regeneration of Volumetric Muscle Loss- https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01293-1- Journal: Nano-Micro Letters- DOI: 10.1007/s40820-023-01293-1

안개·눈·비 등 악천후 속에서도 막힘없이 달릴 수 있는 차세대 ‘자율주행의 눈’이 부산대-현대자동차 공동연구를 통해 탄생했다. 자동차 간 상호 간섭도 크게 낮춰 상용화를 앞당겼다는 평가다.광메카트로닉스공학과 김창석 교수팀은 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재연구팀과의 산학연구를 통해 외부 노이즈가 심한 악천후 환경에서도 이미징을 구현하는 ‘컬러변조* 4차원 영상화 스캔’ 기술을 이용한 FMCW** 방식의 라이다*** 기술 구현에 성공했다.* 컬러변조: 기존 대부분의 레이저 빛이 단일 컬러파장으로만 고정돼 발광하는 원천적 단점을 해결해, 레이저 빛의 컬러파장을 자유자재로 초광 대역에 걸쳐 초고속 변조(Modulation) 발광하는 기술.** FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave·주파수 변조 연속파) 방식: 레이저를 연속으로 변조해 발사하고, 돌아오는 파형을 측정하는 방식. ToF 방식의 한계를 극복하는 기술로 등장했다.*** 라이다(LiDAR·Light Detection And Ranging): 레이저 빛을 이용한 주변 사물의 3차원 이미징 기술. 레이저 빛을 방출해 주변의 사물과 부딪힌 후 되돌아오면, 이를 분석해 사물의 위치나 운동 방향, 속도 등을 확인해 3차원 이미징을 할 수 있다.자율주행차 상용화를 위해서는 넘어야 할 기술적 난제들이 많다. 특히 운전자가 운전대를 잡지 않아도 되는 레벨3 단계 이상을 실현하기 위해 가장 핵심이 되는 게 사람의 눈을 대신하는 라이다 기술이다.지금까지 가장 많이 사용돼 온 ToF* 방식 라이다는 광산란·광간섭 현상에 취약해 기술적 한계에 봉착해 있다. 이를 극복하기 위해 FMCW 방식의 차세대 라이다 개발이 국내외에서 진행되고 있지만 아직 초기 기술단계다.* ToF(Time of Flight·비행시간측정) 방식: 레이저를 발사해 주변에 빛이 반사돼 돌아오는 레이저 왕복 시간을 측정하는 방식. 태양광에 민감하고 라이다 센서 차량 간 간섭이 심하다. 【광대역 컬러변조 레이저 기반의 분광 방식과 음향광학 방식을 조합해 구현한 원거리와 근거리 별 4D FMCW 라이다 이미지】- 3차원 거리 정보 축에 추가로 멀어지는 속도의 빨간색과 가까워지는 속도의 파란색 정보가 표현됨.김창석 교수 연구팀은 FMCW 방식의 라이다 개발을 위해 신개념 레이저 광원 아이디어를 세계 최초로 독자 발굴했다. 고정된 단일 색만을 출력하는 기존 레이저 대신, 레이저 빛의 파장 컬러를 광대역으로 훑는 동시에 협대역으로는 컬러를 펄럭거리며 변조도 하는 방식이다. 이렇게 개발한 FMCW 라이다는 상하좌우 2차원으로 레이저 빔을 분광적으로 스캔하는 동시에, 대상물의 원근 3차원 거리 정보와 1차원의 속도 정보까지 함께 측정해 총 4차원에 걸쳐 자율주행 정보를 실시간으로 운전자에게 디스플레이 하는 방식을 구현했다.이를 통해 진동·충격에 취약했던 공간 영상화 스캔 방식의 기술적 한계를 극복하고 기계적 움직임 노이즈까지도 제거하는 데 성공했다.【FMCW 라이다 이미지와 기존 TOF 라이다 이미지 간의 비교 시연 모습. 빨간색-원거리, 보라색-근거리로 3차원적으로 표현】- 왼쪽: 김창석 교수팀의 3D FMCW 방식의 라이다 기술을 통해 안개를 뚫고 육안보다 더 뚜렷하게 시야가 잘 확보된 이미지, 오른쪽: 기존 ToF 방식 라이다에 의해 안개 광산란 노이즈에 가려진 이미지. 김창석 교수는 이번 성과에 대해 “맑은 날씨와 단독 주행 등 제한적인 환경에서 도로 시연에 그치고 있는 기존 자율주행의 한계를 극복하는 기술”이라며 “국내 연구진만의 독자적 원천 연구로, 현대자동차 전자기에너지소재연구팀과 3년 이상 꾸준히 진행한 산학연구의 결과물이라는 데에도 큰 의미가 있다”고 말했다.연구에 참여한 현대자동차 연구진은 이번 차세대 FMCW 라이다의 원천 기술 확보를 위해 부산대 연구진과 새로운 광학 기술의 발굴과 적용 가능성, 차량 관점의 요구 사양 등 다양한 아이디어를 주고받으며 연구를 진행해 왔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 세계적인 과학학술지 『네이처(Nature)』의 자매지인 『Nature Communications』 온라인 2월 6일자에 게재됐고, 해당 원천 특허군도 확보했다. 광메카트로닉스공학과 정다운 석사가 제1저자, 김창석 교수가 교신저자로 연구를 수행했다.- 논문 제목: Spatio-spectral 4D Coherent Ranging Using a Flutter-wavelength-swept Laser(펄럭이는 파장 훑음 레이저를 이용한 공간-스펙트럼 4D 간섭성 거리 계측)- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45297-w ※ 영상: 부산대 라이다 기술 연구 보러 가기 https://youtu.be/UL4kkxiitLI?si=_k5OjWPi8S0FaICb* 상단 인물사진: 자율주행 연구용 차 앞에서 왼쪽부터 제1저자 정다운 석사(현대자동차 연구원, 2024년 1월 입사)와 교신저자 김창석 교수. [Abstract]Driving even in bad weather with 4D autonomous vehicle eyes- Development of color modulation 4D lidar sensor technology that reduces environmental noise and inter-vehicle interferenceA next-generation ‘autonomous vehicle eye’ that can drive smoothly even in bad weather such as fog, snow, and rain has been created by domestic researchers. It is evaluated that the commercialization has been greatly accelerated by significantly lowering mutual interference between vehicles.The National Research Foundation of Korea has developed a ‘color modulation 4-dimensional imaging scan’ that realizes imaging even in bad weather environments with severe external noise through industry-academic research conducted by Professor Chang-Seok Kim’s research team at Pusan National University and the electromagnetic energy materials research team at Hyundai Motor Company’s Basic Materials Research Center. It was announced that they had succeeded in implementing the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method of LiDAR (Light Detection And Ranging) technology using technology.Professor Chang-Seok Kim’s research team was the first in the world to independently discover a new laser light source idea for the development of FMCW-type lidar.Instead of the existing laser that outputs only a single, fixed color, this new method scans the wavelength color of laser light in a wide band while also modulating the color by fluttering in a narrow band.Through this, it is available to overcome the technical limitations of the general spatial imaging scanning method, which relies on mechanical rotation and is vulnerable to vibration and shock.The results of this research, conducted with support from the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea, were published online on February 6 in Nature Communications, a sister journal of the world-renowned science journal Nature.* Reference- Authors (Department of Optics and Mechatronics Engineering, Pusan National University) · First author: Dawoon Jeong · Corresponding author: Prof. Chang-Seok Kim / Contact: ckim@pusan.ac.kr- Paper Title: Spatio-spectral 4D Coherent Ranging Using a Flutter-wavelength-swept Laser- URL: Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-45297-w

광메카트로닉스공학과 김광석 교수와 홍석원 교수가 영국 옥스퍼드대학 클라랜든 연구소 로버트 테일러 교수와의 국제공동연구를 통해 ‘페로브스카이트 나노종이’ 기반의 광증폭(light amplification·光增幅) 현상을 분석해 2차원 구조의 새로운 광학적 응용 가능성을 제시했다. ‘페로브스카이트 나노종이’를 이용한 레이저 개발에 성공한 것이다.연구팀은 페로브스카이트 나노종이가 지닌 레이저 매질(광자를 생성·증폭하는 역할을 하는 물질)로서의 장점을 ‘기초 광물성’과 ‘실용 광소자’라는 두 측면에서 입증했다. 이번 연구에서 레이저 매질로 사용된 ‘페로브스카이트 나노종이’는 CsPbBr₃라는 무기 페로브스카이트 계열의 물질로 만들어진 2차원 구조로, 가로나 세로의 길이가 수백 나노미터인 것에 비해 두께는 수 나노미터를 지니고 있어 종이의 모습을 떠올리게 한다. ‘페로브스카이트’ 물질은 주로 태양전지 분야에서 많은 연구가 진행되고 있으나, 최근에는 페로브스카이트 물질을 기반으로 다양한 차원의 나노구조물이 제작되고 있다. 최근 많은 주목을 받는 수 나노미터 크기의 아주 작은 구슬이나 상자의 모습을 지닌 페로브스카이트 양자점은 의외로 태양전지가 아닌 레이저 매질로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 0차원 구조의 양자점에는 레이저 발진 효율을 제한하는 여러 가지 근원적 원리들이 여전히 존재한다.반면, 2차원에 해당하는 나노종이 속 전자들은 수직적 속박과 수평적 자유가 공존하고 있어서, 0차원 구조의 양자점이 지닌 효율 제한의 근원적 문제점으로부터 상대적으로 자유로울 수 있다. 부산대 국제공동연구단은 2차원 구조가 지닌 이러한 특성을 활용할 경우, 레이저 발진이 시작되는 문턱을 낮출 수 있다는 사실을 실험적으로 확인했다. 또한, 연구팀은 ‘실용 광소자’ 개발의 측면에서 레이저 매질의 증폭 특성을 다차원적으로 분석할 수 있는 새로운 방법을 도입했다. 레이저 매질의 광증폭 정도는 광학적 이득(gain)을 통해 가늠할 수 있는데, 이번 연구에서는 나노종이의 광학적 이득의 포화 특성을 여기(excitation, 전자가 에너지를 흡수해 기존 상태보다 들뜬 상태) 세기, 온도에 따라 분석해 광증폭 효율 원인을 다각도로 파악할 수 있도록 했다.나아가 도파관(waveguide) 구조의 광학적 구속효과를 통해 나노종이 레이저 발진의 안정성과 효율 향상을 확인함으로써 나노종이가 지닌 ‘실용 광소자’로서의 가치를 보였다.【 교신저자: 왼쪽부터 김광석 교수, 홍석원 교수 】김광석 교수와 홍석원 교수는 이번 연구는 ‘페로브스카이트 물질’과 ‘2차원 물질’의 특성을 모두 지닌 ‘페로브스카이트 나노종이’의 새로운 가치를 발견한 측면에서 의미가 있으며, 나노구조를 기반으로 하는 실용 레이저 개발에 많은 영감을 줄 수 있기를 기대한다고 말했다. 이번 연구결과는 『네이처(Nature)』 자매지인 『Light: Science Applications』에 2023년 11월 24일 게재됐다.- 논문 제목: Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation(도파관 패턴을 통한 페로브스카이트 나노종이의 이득향상: 이득 포화의 여기세기와 온도의존성)- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41377-023-01313-0 이번 연구를 수행한 부산대 국제공동연구단(단장 김광석)은 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 BrainLink사업으로 운영되고 있으며, 다양한 유/무기/생체 나노소재를 기반으로 나노포토닉스 분야에서 국제적 경쟁력을 지닌 집단공동연구 네트워크를 구축해 공동연구를 진행 중이다.* 상단 연구 이미지: 레이저 매질에서 발생하는 광증폭은 광학적 이득(gain)을 통해 분석되며, 도파관 구조의 광학적 구속효과를 통해 보다 향상될 수 있다. 페로브스카이트 나노종이는 레이저 매질로서 다양한 장점을 가지고 있다. [Abstract]The joint research team of Pusan National University(Professors Kwangseuk Kyhm and Seokwon Hong Department of Optics and Cogno Mechatronics Engineering) and Oxford University(Professor Robert Taylor) reported the light amplification phenomenon based on ‘perovskite nanopaper' and presented the possibility of a new optical applications by using two-dimensional structures.In their work, the light amplification phenomenon was studied in terms of optical gain enhancement in a two-dimensional CsPbBr₃ nanosheets guided by a patterned structure of polyurethane-acrylate. The research team obtained spectrum energy and stripe length dependent gain contour and average gain, and analysed gain saturation phenomenon. Consequently, they demonstrated the advantages of perovskite nano paper as a laser medium that generates and amplifies photons in two aspects: ‘basic optical property' and ’practical optical device'.* Reference- Authors (Department of Opto Cogno Mechatronics Engineering, Pusan National University)· First Authors: Inhong Kim, Ga Eul Choi, Ming Mei· Corresponding Authors: Suck Won Hong, Kwangseuk Kyhm - Title of original paper: Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation- Journal: Light: Science Applications- DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-023-01313-0목록PNU LINK (부산대학교 기관 보기)

포스코청암상에 金 대체 반도체 소재 개발 정세영 교수 facebook 공유 twitter kakao viewer이호택(왼쪽부터) 피난처 대표, 박영도 수원제일평생학교 교장, 정세영 부산대 교수.포스코청암재단이 17일 올해 포스코청암상 수상자로 정세영 부산대 광메카트로닉스공학과 교수(과학상), 박영도 수원제일평생학교 교장(교육상), 이호택 사단법인 피난처 대표(봉사상)를 각각 선정했다.정 교수는 세계 최초로 금속이 산화되는 작동원리를 원자 수준에서 규명한 물리학자다. 정 교수는 자체개발 기술로 구리 단결정을 세계에서 가장 얇은 원자 1개층(0.2nm) 수준의 초평탄면 박막으로 만드는데 성공했다. 이 연구로 구리가 금을 대체할 반도체 회로 소재로 주목받기도 했다.박 교장은 1980년대 대학시절 야학교사를 시작으로 40여 년간 학교밖 청소년들과 배움의 기회를 놓친 저학력 비문해 성인들에게 제2의 교육기회를 제공해 온 교육자다. 1996년부터 수원제일평생학교 교장직을 맡으며 불우 청소년, 다문화인, 고령 학습자 등 3500여명의 졸업생을 배출했다. 부족한 학교 운영비 보충을 위해 사재로 6억 원을 부담해 교육 과정을 무료로 운영했다.이 대표는 지난 30여년 간 탈북민과 난민들의 인권을 위해 헌신해 온 사회활동가다. 1996년부터 탈북민 구출활동과 탈북민 야학인 자유터학교를 운영하며 탈북민의 국내 정착과 교육을 지원했다. 2011년부터 난민공동숙소를 직접 운영하며 우리나라에 입국한 난민들에게 보금자리를 제공하는 한편, 법률, 통역, 생계, 의료 등 안정적인 국내 정착을 위한 다각적인 지원활동을 이어갔다.포스코청암재단은 2006년부터 청암상을 제정해 시상하고 있다. 상금은 부문별로 각 2억 원을 수여한다.출처 : https://www.sedaily.com/NewsView/2D44REMAYX

[과학에세이] 수학의 점과 물리의 점김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수 | 입력 : 2023-12-04 19:30:11 | 본지 22면글자 크기 페이스북 공유트위터 공유네이버 공유인쇄기사 주소 복사스크랩40여 년 전 초등 산수 시간. 선생님은 ‘폐곡선’을 설명하신 후 칠판에 그려진 다양한 도형들의 닫힘 여부를 물으셨다. 교실 안 꼬맹이들은 처음 출발한 분필 끝이 최종적으로 멈추는 지점에 온 신경을 집중했고, 호명된 대여섯 명의 학생들은 전부 정답을 말했다. 간혹 장난기가 발동한 선생님이 구분하기 어려울 만큼 작은 틈을 지닌 선을 그리셨지만, 의도를 눈치챈 아이들은 모두 ‘개곡선’이라 답했다. 덕분에 학급 학생 대부분이 자신감을 얻게 되었고 선생님은 다음 문제를 위해 칠판을 채웠던 도형들을 지우셨다. 문득 칠판에서 떨어지는 하얀 가루가 마치 선을 구성하던 점들이 해체되는 장면처럼 느껴졌다.허공 속을 떠다니는 하얀 분진에 정신을 빼앗겨 있던 순간 갑자기 내 이름을 부르는 선생님 목소리가 들려왔다. 칠판 위에는 찌그러진 타원이 그려져 있었다. 앞서 배운 방식대로라면 ‘폐곡선’이 정답이겠지만, 내 머릿속은 이미 분필 가루로 가득 차 있었다. 급기야 칠판에 그려진 하얀 선이 점차 확대되면서 폭을 지닌 커다란 도로가 되었다. 카메라 배율이 확대되듯 도로 위를 가득 채운 하얀 조약돌이 보였고, 어느새 나는 조약돌 사이를 비집고 지나가는 개미가 되었다. 쉽지는 않겠지만 분필 가루들의 틈을 찾다 보면 칠판 위에 그려진 하얀 선을 관통하는 길이 존재할 것 같았다. 나는 ‘개곡선’이라 답했고 수업을 듣던 친구들은 큰소리로 웃었다.고대 그리스 수학이 집결된 유클리드의 ‘원론’에서 0차원의 ‘점’은 부분이 없는 존재로 정의된다. 따라서 1차원의 ‘선’은 폭이 없고 ‘선’의 양쪽 끝에는 크기가 없는 점이 있다. 유사한 방식으로 2차원의 ‘면’은 크기를 지니지만 두께가 없으며 면의 끝은 폭이 없는 ‘선’으로 이루어져 있다. 수학적 유한 크기의 연속체는 크기 없는 요소의 무한 합인 셈이다. 이렇게 크기 없이 위치 정보만을 알려주는 수학적 ‘점’은 관념 속에서만 존재하지만, 일상 언어에선 얼굴 위의 ‘점’, 점묘화의 ‘점’, 마침표 ‘점’처럼 크기를 지닌 물리적 ‘점’과 혼용된다. 플라톤의 이데아 철학의 관점에서 보자면 크기를 지니는 실재 세상의 ‘점’으로부터 크기 없는 ‘점’이 작동하는 이상 세계를 알아가는 과정으로 포장될 수도 있겠지만 추상 세계에 가치 우위를 부여하는 태도는 물리적 ‘점’의 크기를 간과하게 만들 수도 있다.2023년 노벨 화학상이 수여된 ‘양자점’ 역시 ‘점’과 ‘0차원’이라는 수학적 용어를 사용하고 있지만 수 나노미터 크기의 양자점 속은 실제 수만 개의 원자 구슬로 채워져 있다. 하지만 양자점 속 전자의 입장에선 모든 방향으로의 움직임이 제한된 구속의 공간이다. 이를테면 캡슐호텔의 좁은 공간은 인간의 몸동작을 제한한다. 그러므로 인간적 관점에서 캡슐호텔 방은 0차원이고, 좁은 복도는 1차원, 천정이 낮은 아파트는 평수가 넓어도 2차원이다. 유사한 방식으로 파동성을 지닌 전자에게 양자점은 특정 파장만 허락되는 구속의 공간이다. ‘양자선(1차원)’과 ‘양자면(2차원)’도 수학적 정의와 다르게 각각 폭과 두께를 지니고 있으며 나노미터 크기의 구속 정도에 따라 차원이 구분된다. 물리의 차원은 수학의 차원과 다르다.고대철학자 데모크리토스의 ‘원자’ 역시 나눌 수 없다는 측면에서 유클리드 기하학의 ‘점’을 닮았다. 하지만 크기를 지닌 원자를 통해 인류는 물질 속의 모습이 수학적 연속체가 아닌 분절적이라는 사실과 함께 원자보다 더 작은 세상도 알게 되었다. 반면, 현대 기하학은 부분을 지니는 점이나 점 자체가 없는 추상적 공간을 설정하기도 한다. 다원주의적 신화나 종교처럼 수학은 다양한 세계관을 제공하지만, 때론 편견으로 작동할 수 있다. 똑같은 물리 세상도 수학적 교리에 따라 달리 보일 수 있는 셈이다. 그러므로 물리학자는 수학적 다신교 신자나 무신론자일 필요가 있다. 이를테면 전지적 시점의 이상적 세계를 맹신하기보다 복잡하고 혼란스러운 현실 경험과 인간적 한계를 솔직하게 드러내는 문학과 미술처럼, 물리학은 르네상스적이어야 한다. 물리학도 관념적 이상과 실재적 현실의 차이를 자각하며 혁명이 시작된다. https://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code=1700 key=20231205.22022000964 kid=021017 fbclid=IwAR1M7GmQPl1WN2vfdmYd0Xgsfz8JxNrLXeO2STcqsYBmHtD2F393Fy94TtY

광메카트로닉스공학과 김광석·홍석원 교수팀-영국 옥스퍼드대 공동연구페로브스카이트 2차원 나노종이 기반의 새로운 레이저 가능성 제시[한국대학신문 이정환 기자] 부산대학교와 영국 옥스퍼드대학 국제공동연구팀이 ‘페로브스카이트 나노종이’를 이용해 레이저를 만드는 데 성공했다.부산대학교(총장 차정인)는 광메카트로닉스공학과 김광석 교수와 홍석원 교수가 옥스퍼드대학 클라랜든 연구소 로버트 테일러 교수와의 공동연구를 통해 ‘페로브스카이트 나노종이’ 기반의 광증폭(light amplification·光增幅) 현상을 분석해 2차원 구조의 새로운 광학적 응용 가능성을 제시했다고 4일 밝혔다.김광석(왼쪽), 홍석원 교수연구팀은 페로브스카이트 나노종이가 지닌 레이저 매질(광자를 생성·증폭하는 역할을 하는 물질)로서의 장점을 ‘기초 광물성’과 ‘실용 광소자’라는 두 측면에서 입증했다.이번 연구에서 레이저 매질로 사용된 ‘페로브스카이트 나노종이’는 CsPbBr₃라는 무기 페로브스카이트 계열의 물질로 만들어진 2차원 구조로, 가로나 세로의 길이가 수백 나노미터인 것에 비해 두께는 수 나노미터를 지니고 있어 종이의 모습을 떠올리게 한다.‘페로브스카이트’ 물질은 주로 태양전지 분야에서 많은 연구가 진행되고 있으나, 최근에는 페로브스카이트 물질을 기반으로 다양한 차원의 나노구조물이 제작되고 있다.최근 많은 주목을 받는 수 나노미터 크기의 아주 작은 구슬이나 상자의 모습을 지닌 페로브스카이트 양자점은 의외로 태양전지가 아닌 레이저 매질로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 0차원 구조의 양자점에는 레이저 발진 효율을 제한하는 여러 가지 근원적 원리들이 여전히 존재한다.레이저 매질에서 발생하는 광증폭은 광학적 이득(gain)을 통해 분석되며, 도파관 구조의 광학적 구속효과를 통해 보다 향상될 수 있다. 페로브스카이트 나노종이는 레이저 매질로서 다양한 장점을 가지고 있다.반면, 2차원에 해당하는 나노종이 속 전자들은 수직적 속박과 수평적 자유가 공존하고 있어서, 0차원 구조의 양자점이 지닌 효율 제한의 근원적 문제점으로부터 상대적으로 자유로울 수 있다. 부산대 국제공동연구단은 2차원 구조가 지닌 이러한 특성을 활용할 경우, 레이저 발진이 시작되는 문턱을 낮출 수 있다는 사실을 실험적으로 확인했다.또한, 연구팀은 ‘실용 광소자’ 개발의 측면에서 레이저 매질의 증폭 특성을 다차원적으로 분석할 수 있는 새로운 방법을 도입했다. 레이저 매질의 광증폭 정도는 광학적 이득(gain)을 통해 가늠할 수 있는데, 이번 연구에서는 나노종이의 광학적 이득의 포화 특성을 여기(excitation, 전자가 에너지를 흡수해 기존 상태보다 들뜬 상태) 세기, 온도에 따라 분석해 광증폭 효율 원인을 다각도로 파악할 수 있도록 했다.김광석 교수와 홍석원 교수는 이번 연구는 ‘페로브스카이트 물질’과 ‘2차원 물질’의 특성을 모두 지닌 ‘페로브스카이트 나노종이’의 새로운 가치를 발견한 측면에서 의미가 있으며, 나노구조를 기반으로 하는 실용 레이저 개발에 많은 영감을 줄 수 있기를 기대한다고 말했다.이번 연구결과는 네이처(Nature) 자매지인 《Light: Science Applications》 (광기술분야 상위 3% 저널)에 11월 24일 게재됐다.논문 제목은 Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation(도파관 패턴을 통한 페로브스카이트 나노종이의 이득향상: 이득 포화의 여기세기와 온도의존성).이번 연구를 수행한 부산대 국제공동연구단(단장 김광석)은 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 BrainLink사업으로 운영되고 있으며, 다양한 유/무기/생체 나노소재를 기반으로 나노포토닉스 분야에서 국제적 경쟁력을 지닌 집단공동연구 네트워크를 구축해 공동연구를 진행 중이다https://news.unn.net/news/articleView.html?idxno=556181