음악에 맞춰 춤추는 접어서 만든 소프트 로봇
  - ‘적층형 자가접이’라는 새로운 방식으로 만들어진 소프트 로봇 개발
  - 영화 대사, 오페라에 맞춰 유연하게 동작, 문화·예술분야 활용 기대

 

저가의 종이보드나 필름 등을 자르고 접어서 만드는 소형 로봇은 짧은 제작시간과 적은 제작비용, 대량생산 가능성으로 학계에서 지속적으로 연구되고 있다. 이러한 소형 로봇은 최근에 열이나 자기장, 습도변화 등에 의해 스스로 접히는 이른바 4D 프린팅* 기술과 접목되면서 큰 주목을 받고 있다. 최근 국내연구진이 ‘적층형 자가접기(additive self-folding)’ 라는 새로운 기술로 만들어진 소프트 로봇**을 개발하고 문화·예술 산업 등에서의 활용 가능성을 선보여 주목받고 있다. 
*4D 프린팅 : 온도, 습도, 진동, 자기장 등으로부터 운동에너지를 얻어 미리 설계된 3차원 형상으로 스스로 변하는 지능형 구조를 만드는 기술
**소프트로봇(Soft robot) : 딱딱한 금속이 아닌 유연한 소재로 만들어져 있으며 변형하기 쉬운 구조를 가진 로봇. 외부환경에 탄력적으로 적응하고 유연하게 움직임일 수 있어 의료, 탐사, 재난, 제조 등 여러 분야에서 활용가능

 

임세혁 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 지능로봇연구단 임세혁 박사팀은 전산 알고리즘을 이용하여 설계된 종이전개도를 프린터로 출력하고, 이를 접어서 3차원 형상을 가진 로봇으로 활용하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 또한 KIST 임세혁 박사팀은 개발한 소프트 로봇을 이용해 영화대사를 따라하고, 음악에 유연하고 생동감 있게 움직이는 모습을 세계 최초로 시연하였다.

 

3D 프린터를 사용하는 분야에서 로봇을 구동장치까지 한 번에 제작하는 기술은 현재 선진국에서도 활발히 연구되고 있으나, 기본적으로 고가의 장비를 필요로 하고 로봇의 동작범위나 속도 등이 제한적이었다. 본 연구진은 원하는 로봇의 3차원 형상과 구현하고자 하는 동작을 사전에 설계하여, 자가조립에 의해 기존의 방식보다 더 저렴하고 용이하게 로봇을 구현할 수 있는 기술을 개발했다. 이렇게 연구진은 ‘적층형 자가접이’라는 새로운 방식으로 만들어진 소프트 로봇을 최초로 개발했다.

[그림 1] 평면재료를 적층형으로 접어만드는 3차원 소프트로봇의 설계/제작/구동 기술 (1) 원하는 3차원 형상(토끼) (2) 하부에서 상부까지 슬라이싱 (3) 슬라이스 의한 전개도, 각 슬라이스의 구멍에 실을 연결 (4) 적층형 자가접이 (아래에서부터 위까지 슬라이스가 쌓이면서 3차원 형상을 갖춤) (5) 완성된 3차원 소프트로봇을 구동

또한 이러한 기술로 만들어진 소프트 로봇은 부드러운 몸체와 외부충격에 유연한 특성을 가진다. 연구진은 개발된 소프트 로봇이 영화 대사를 따라하고, 오페라 등의 음악에 맞춰 유연하게 동작하는 ‘오디오-애니메트로닉스(audio-animatronics)’를 시연, 활용범위를 의료분야 뿐 아니라 영화·엔터테인먼트 산업 및 예술분야에까지 확장시킬 수 있다는 점에서 학계의 큰 관심을 받고 있다. 
 
KIST 임세혁 박사는 “로봇의 디자인과 기능에 따른 최적의 설계가 가능하다. 향후 본 연구를 통해 개발한 소프트로봇 기술에 최근 급격하게 발전하고 있는 대화형 인공지능기술을 융합하면 개인·서비스 로봇 관련 산업에도 광범위한 변화를 일으킬 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 로봇 분야 국제학술지인 ‘국제로봇연구 저널 (The International Journal of Robotics Research, IF : 5.30,  JCR 상위 : 5.76 %)’ 최신호에 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Animatronic soft robots by additive folding
    - (제1저자) 한국과학기술연구원 임세혁 선임연구원  
    - (공저자) 신시아 성(Univ. Penn 조교수), 슈헤이 미야시타 (Univ. of Yort, 조교수)           

                  다니엘라 러스(MIT 전자컴퓨터동학과 교수), 김상배 (MIT 기계공학과 부교수)
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 임세혁 선임연구원  

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양자점 기반 차세대 태양전지,
손실없는 고전압 출력 가능성 열었다.


 - KIST-MIT 공동 연구진, 양자점 태양전지의 출력전압 손실의 원인 규명
 - 향후, 출력전압 최대 180%까지 상승 기대, 상용화에 한 걸음 더 다가설 것

 

양자점(Quantum Dot) 태양전지는 저렴한 공정비와 훌륭한 안정성을 바탕으로 기존의 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 차세대 태양전지 소자로 각광받고 있다. 하지만, 양자점 태양전지의 출력전압이 유독 낮아 상용화에는 큰 어려움을 겪고 있었다. 최근 국내 연구진이 양자점 태양전지의 출력전압 손실의 원인을 규명하여, 고전압 출력 가능성을 제시하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 미국 MIT 제프리 그로스만(Jeffrey Grossman) 교수팀과의 공동연구를 통해 양자점 태양전지에 사용되는 황화납(PbS) 양자점 재료의 표면에 납 혹은 염소 원소의 공공결함(vacancy)이 다량 존재할 수 있음을 확인하고, 이러한 공공결함으로 태양전지의 출력전압 값이 크게 제한되는 것을 밝혔다.

태양전지 내에서 출력전압의 크기는 에너지 전환효율을 결정짓는 가장 중요한 요인이다. 이론적으로 황화납 양자점 기반의 태양전지는 약 0.9볼트(volt) 이상의 전압출력이 가능하나 실제 출력값은 약 0.5볼트(volt)에 그친다. 하지만 전압손실의 원인이 불분명하여 관련 학계 내에서 이를 해결하기 위한 뚜렷한 실험적 개선책이 없는 실정이었다.

그림 1. 양자점 재료의 표면에 존재하는 특정 공공결함이 태양전지의 출력전압 값을 크게 제한함을 나타내는 본 연구의 대표 그림

 

KIST-MIT 공동 연구진은 이를 규명하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 범밀도함수론* 계산법과 흡광/발광 실험측정기를 동시에 활용하여, 양자점 물질 내에 존재하는 특정 공공결함이 매우 큰 전압손실을 야기할 수 있음을 찾아내었다.
*범밀도함수론(Density functional theory): 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나임.

그림 2. 흡광/발광 실험측정기를 이용한 황화납 양자점의 스토크스 시프트 측정결과

그림 3. 범밀도함수론 계산법을 이용한 양자점 재료 내의 전화 국소화 현상 발견 및 스토스크 시프트 값 변화

연구진은 양자점 태양전지의 전압손실원인으로 황화납 양자점 재료의 구조적 특성, 즉 공공결함의 양이 매우 큰 스토크스 시프트**(Stokes shift)를 발생시키는 것을 밝혀낸 것이다. 연구진은 본 연구를 바탕으로 스토크스 시프트를 최소화 시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면, 경쟁 소자인 실리콘 재료 또는 페로브스카이트 재료와의 효율 격차를 많이 줄여 차세대 태양전지로서의 상용화를 기대하고 있다.
**스토크스 시프트 (Stokes shift): 어떤 물질이 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값이 다르게 나타나는 현상으로, 황화납 양자점 재료의 경우 그 차이가 매우 크다고 알려짐.

 

KIST 김동훈 박사는 “본 연구는 향후 양자점 태양전지의 전압상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다.”고 말하며, “이를 통해 출력전압이 최대 현재수준의 180%까지 상승될 수 있을 것으로 예상하며, 양자점 태양전지는 상용화에 한 걸음 더 가까워 질 것이다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노과학분야의 국제학술지인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.942, JCR 분야 상위 3.27%)에 최신호(3월 13일(화))에 온라인 게재되었다.

 

 *(논문명) Origins of the Stokes shift in PbS Quantum Dots: Impact of Polydispersity,

              Ligands, and Defects
              - (제1저자) 한국과학기술연구원 김동훈 박사, MIT Yun Liu 박사 과정
              - (교신저자) MIT Jeffrey Grossman 교수

 

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이론으로만 제시된 스핀파(Spin wave)를 이용한 자구벽 이동 세계 최초 구현

향후 ‘전력 소모 0’인 신개념 메모리 소자 개발 기대

 

국내 연구진이 초저전력을 넘어선 전력소모 ‘0’인 ‘無 전력’ 메모리소자를 가능케 하는 물리적 현상을 세계 최초로 규명했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사는 미국 MIT 재료공학과 제프리 비치(Geoffrey Beach) 교수팀과의 약 3년간의 공동연구를 통해, 소자의 스핀성질을 활용하여 전력소모 없이 메모리 소자를 구동할 수 있는 방법을 세계 최초로 구현하였다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시되었던 스핀파(Spin wave)*를 이용한 자구벽(Domain Wall)**의 이동을 세계 최초로 구현한 것으로, 물리학 분야 세계 최고권위의 저널 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 1월 31일(한국시간)자에 게재되었다.
*스핀파(Spinwave) : 스핀 배열이 흐트러짐에 따라 발생하다고 생각되는 파동.
*자구벽(Magnetic Domain Wall) :  강자성체에 있어서 자구와 자구(磁區)의 경계이다.

 

서로 다른 자성을 띈 자기 구역을 구분하는 ‘자구벽’ 구조는, 높은 이동도와 안정성, 값싼 공정가격 등을 바탕으로 이를 차세대 메모리 소자에 적용하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되어 왔다. 하지만 ‘자구벽’ 구조를 이동시키기 위해 소모되는 임계 전류값이 기존 전자소자와 비교하여 큰 이점을 가지지 못한다는 ‘전력소모’의 한계로 인해, 임계 전류를 낮추기 위한 다각도의 연구가 이루어져 왔으나 여전히 분명한 해결책이 나타나지 않았다. 

 [그림 : 두 개의 자구벽이 부딪힐 때 나타나는 강한 크기의 스핀파에 대한 도식(Schematic)]

본 연구결과는, 기존에 전기적인 방법을 이용하여 자구벽을 이동시켜야 한다는 고정관념을 깬 전혀 새로운 접근 방법의 결과이다. 연구팀은 2개의 자구벽이 부딪혀서 생기는 스핀의 독특한 파동 형태인 ‘스핀파(or 마그논(Magnon))’를 사용하여 전력소모가 전혀 없이도 자구벽의 효율적인 이동이 가능하다는 것을 밝혔다. 즉, 외부전류의 유입없이 자구벽의 유무상태를 바꿀 수 있게 됨으로서, 향후 무전력 소자가 가능해질 것이라는 원리를 세계최초로 규명한 것이다. 또한 스핀파의 효율적인 생성을 위해서 두 개의 자구벽의 충돌을 이용함으로서, 전력 소모 없이도 강한 크기의 스핀파가 생성될 수 있음도 보여주었다.  우성훈 박사는 “스마트기기 하나가 처리해야할 정보의 양이 기하급수적으로 늘어나고 있는 상황에서 초저전력 문제는 굉장히 큰 이슈로 자리 잡고 있다”고 전하며, “이런 상황에서 본 연구결과가 제시하는, 스핀소자를 활용한 새로운 접근법은 향후 차세대 메모리 관련 산업전반에 크게 기여할 수 있을 것이라고 본다”고 밝혔다.


본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업과 미국 C-SPIN 사업의 지원으로 수행되었다. 

 * (논문명) Magnetic Domain Wall Depinning Assisted by Spin Wave Bursts 
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원       
          - (교신저자) MIT Geoffrey Beach 교수

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[YTN 사이언스] '전력 안쓰는 메모리'개발 가능성 열려

 

한미 공동 연구진이 외부 전력 없이도 자성을 바꾸는 데 성공해, 전력 소모가 전혀 없는 메모리 개발 가능성을 열었습니다. KIST 우성훈 박사와 MIT 제프리 비치 교수 등이 참여한 국제 공동 연구진은 외부에서 전력을 공급받지 않아도 철이나 니켈 같은 '강자성체'의 자기적 성질을 바꾸는 데 성공했다고 밝혔습니다. [...]

 

[YTN 사이언스 방송보기]

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[연합뉴스] 전력소모 없는 '무전력 메모리' 가능성 첫 규명

 

[...]한국과학기술연구원(KIST)은 우성훈 박사와 제프리 비치 미국 매사추세츠공대(MIT) 재료공학과 교수 등이 참여한 국제공동연구진이 외부 전력 없이도 '강자성체'의 자기적 성질(자성)을 바꾸는 데 성공했다고 31일 밝혔다.[...]

 

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[헬스&뷰티]“치약서 검출된 CMIT/MIT 삼켜도 안전에는 문제없어”

얼마전 가습기 살균제 논란이 가시기도 전에 일상생활에서 늘 사용하는 많은 수의 치약에서 해당성분이 검출되 물의를 빚었습니다. KIST 환경복지연구단의 류재천 박사님께서 이와 관련하여 안전성 인터뷰를 해주셨습니다. 해당 내용 지금 링크로 확인해보세요

 

[동아일보 기사보기]

 

(그림 : CMIT/MIT의 구조)

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