초음파는 일반적으로 낮은 음압이면 선형의 파동으로 전파된다고 간주할 수 있지만, 실제 초음파 진단 장치에서는 S/N을 향상시키기 위해 비교적 높은 음압을 이용하는 경우가 있으며, 이 경우는 매질의 비선형성을 무시할 수 없게 된다. 이로 인해 전파 중에 파형이 변형되어 단순한 선형 이론으로는 설명할 수 없는 현상이 발생한다. 또한 초음파 치료에서는 더욱 높은 음압의 초음파를 이용하기 때문에 매질 내에 캐비테이션이 발생한다. 캐비테이션이란 액체 중의 압력 저하로 인한 기포 발생과 압력의 회복 혹은 상승에 의한 기포의 붕괴가 짧은 시간 내에 일어나는 현상으로 공극화 현상이라고도 하며, 조사 음압에 따라 발생한 기포가 붕괴되지 않고 안정적으로 진동을 계속하는 안정 캐비테이션 혹은 기포의 붕괴를 동반하고 국소적인 초고온이나 충격파 등의 발생을 동반하는 관성 캐비테이션이 발생한다. 이러한 현상은 예측이 힘들고 제어가 어렵다는 부정적인 인상을 주기도 하지만, 실제로는 이를 적극적으로 활용한 진단법․치료법의 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 이 글에서는 초음파 진단에서 비선형 음향 효과의 대표적인 응용 예인 하모닉 이미징에 대해 그 원리와 응용 예를 소개한다. Tissue
UNIST 연구진이 돌봄 로봇과 반려 로봇 등 소셜 로봇이 사람과 더 자연스럽게 교감할 수 있도록 돕는 인간-로봇 상호작용 기술을 개발했다. UNIST는 디자인학과 이희승 교수팀이 소셜 로봇의 인지와 표현 능력을 높이는 기술을 각각 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 두 편의 논문으로 나뉘어 로봇 분야 국제학술대회인 국제로봇자동화학술대회(ICRA)에서 발표됐다. 연구팀이 개발한 첫 번째 기술은 사람의 손길을 인식하는 터치 인식 기술이다. 이 기술은 사용자의 손길에 담긴 감정과 의도를 로봇이 더 정확하게 파악하도록 돕는다. 기존에는 사람마다 손 크기와 힘의 세기, 터치 방식이 달라 로봇이 같은 의도의 손길도 서로 다르게 인식하는 한계가 있었다. 예를 들어 반려견 로봇을 친근하게 두드리는 동작도 사용자에 따라 압력과 리듬이 달라져, 로봇이 이를 일관되게 해석하기 어려웠다. 연구팀은 음성 인식 기술에서 아이디어를 얻었다. 음성 인식이 단어에 포함된 공통 주파수 특징을 읽어내는 것처럼, 손길에 반복적으로 나타나는 리듬과 진동 특성을 정전식 터치센서 신호에서 추출하는 방식이다. 이를 통해 복잡한 촉각 장비 없이도 정전식 터치센서만으로 손길의 차이를 구분할 수 있게
KAIST 연구진이 차세대 반도체 소자의 미세화 한계를 원자 수준에서 예측할 수 있는 전산 설계 기술을 개발했다. KAIST는 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 트랜지스터 미세화의 한계를 분석·예측할 수 있는 전산 설계 플랫폼을 구축했다고 밝혔다. 트랜지스터는 전류를 켜고 끄는 초소형 스위치로, 스마트폰과 인공지능(AI) 컴퓨터 등을 구동하는 반도체 칩의 성능과 전력 효율을 결정하는 핵심 부품이다. 반도체 업계는 더 높은 성능과 낮은 전력 소모를 구현하기 위해 트랜지스터 크기를 지속적으로 줄여왔다. 그러나 트랜지스터가 지나치게 작아지면 전자가 원래 통과할 수 없는 장벽을 뚫고 지나가는 양자터널링 현상이 발생한다. 이 경우 전류 제어가 어려워져 소자의 정상적인 동작이 제한된다. 차세대 반도체 개발에서는 양자터널링의 한계 안에서 트랜지스터를 어디까지 작게 만들 수 있는지 파악하는 것이 핵심 과제로 꼽힌다. 연구팀은 원자와 전자의 움직임을 기본 물리 법칙만으로 계산하는 제1원리 계산을 활용해 이 문제에 접근했다. 특히 금속 전극과 반도체가 만나는 접촉부에서 발생하는 복잡한 양자 현상을 분석할 수 있는 다공간 밀도범함수론 기반 계산 체
국내 연구진이 물 위에 떠 있는 금속 나노 회로를 원하는 표면에 그대로 옮겨 붙이는 신개념 나노 인쇄 기술을 개발했다. KAIST는 기계공학과 박인규 석좌교수 연구팀이 한국기계연구원 정준호 박사팀, 고려대학교 안준성 교수팀과 공동으로 ‘수면 부유 나노전사 인쇄’ 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 이번 기술은 정밀 금속 박막을 물 위에 띄운 뒤 식물 잎, 과일, 곡면 렌즈, 신축성 섬유 등 다양한 3차원 표면에 손상 없이 전사하는 방식이다. 스마트 농업, 웨어러블 헬스케어, 생체전자공학, 차세대 로봇 전자피부 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 기존 나노전사 인쇄 기술은 전자소자와 센서 제작에 활용돼 왔지만, 높은 열과 압력, 강한 접착제, 화학용매가 필요한 경우가 많았다. 이 때문에 열과 압력에 약한 생체 조직이나 복잡한 곡면, 식물 잎처럼 민감한 표면에는 적용하기 어려웠다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘금속 회로를 물 위에 띄운다’는 방식에 주목했다. 고분자 틀 위에 금, 백금, 팔라듐, 니켈 등 금속을 매우 얇게 증착한 뒤 플라즈마를 이용해 틀 일부를 선택적으로 제거했다. 이 구조물을 물에 넣으면 미세한 틈 사이로 물이 스며들면서 두께
UNIST 연구진이 고효율 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지의 대량생산 가능성을 높이는 계면 코팅 물질을 개발했다. UNIST는 에너지화학공학과 석상일 특훈교수와 신소재공학과 최경진 교수 공동연구팀이 사우디아라비아 킹압둘라과학기술대학(KAUST) 연구팀과 함께 3성분 물질을 이용한 전지 계면 코팅 물질을 개발했다고 11일 밝혔다. 이번 물질을 적용하면 수분과 산소에 노출되는 일반 대기 공정에서도 효율 30%를 넘는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지를 만들 수 있다. 연구 성과는 광학·광자공학 분야 국제학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 6월 1일 공개됐다. 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 페로브스카이트 전지와 실리콘 전지를 위아래로 쌓은 초고효율 전지다. 위쪽 페로브스카이트 전지가 짧은 파장의 태양빛을 먼저 흡수하고, 아래쪽 실리콘 전지가 남은 빛을 흡수해 기존 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 낼 수 있다. 다만 페로브스카이트 소재는 수분과 산소에 취약하다. 기존 고효율 전지는 수분과 산소를 차단한 특수 설비 안에서 제작해야 했고, 이는 대면적 생산 비용을 높이는 요인으로 지적돼 왔다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 페로
한국전자통신연구원(ETRI)이 인공지능(AI)·확장현실(XR) 기기용 초고해상도 디스플레이 핵심 기술을 개발했다. ETRI는 AI·XR 시대 핵심 디스플레이로 주목받는 초고해상도 엘이디오스(LEDOS) 디스플레이 기술과 이를 구현하는 초정밀 레이저 접합 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 기술은 ETRI가 독자 개발한 신소재와 레이저 공정을 활용해 마이크로 LED 칩을 실리콘 회로 위에 고밀도로 접합하는 방식이다. 연구진은 10마이크로미터(㎛)급 피치 환경에서 약 92만 개의 범프를 안정적으로 접합하는 데 성공했다. 이는 AI 반도체 핵심 기술로 꼽히는 고대역폭메모리4(HBM4)의 약 20㎛급 피치와 20만 개 내외 범프 수준보다 높은 집적도다. ETRI는 이번 기술이 HBM4보다 더 미세한 접합 조건을 상대적으로 경제적인 공정으로 구현했다는 점에서 의미가 크다고 설명했다. 연구성과는 세계 최대 디스플레이 학회인 ‘SID 디스플레이 위크 2026’에서 공개됐으며, 마이크로 LED 분야 ‘피플스 초이스 어워드’를 수상했다. 기존 초미세 접합 공정은 고온 공정에 따른 기판 휨, 미세 오염물 발생, 접합 위치 오차 등이 난제로 꼽혔다. 연구진은 독자 개발한 신소
KAIST 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 금 나노입자 촉매 표면에 단일가닥 DNA를 코팅해 촉매 주변의 미세한 화학 환경을 나노미터 수준에서 정밀하게 제어하는 원천기술을 개발했다고 밝혔다. 전기화학 반응에서는 촉매 자체뿐 아니라 촉매 주변의 산도(pH)와 이온 분포 같은 국소 반응 환경이 성능을 좌우한다. 기존에는 특수 고분자 코팅재로 이를 조절해 왔으나 나노미터 수준에서 내부 구조를 정밀하게 설계하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 단일가닥 DNA에 주목했다. DNA는 음전하를 띠어 주변 이온의 이동에 영향을 줄 수 있으며 길이와 염기서열을 자유롭게 설계할 수 있다. 연구팀이 금 나노입자 표면에 다양한 염기서열의 DNA를 결합해 전기화학 반응을 분석한 결과 촉매 성능을 결정하는 핵심 요소가 단순한 코팅층의 두께가 아니라 DNA 염기서열에 따라 형성되는 내부 네트워크 구조라는 사실을 확인했다. 실시간 표면증강라만분광법을 활용한 관찰에서는 DNA 층이 수산화 이온(OH⁻)의 이동을 조절해 촉매 주변의 국소 pH를 변화시키는 기능성 계면층으로 작동한다는 사실도 직접 확인됐다. 연구팀은 이 기술을 수소 발생 반응과 글리세롤 산화 반응에
노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 nRF54L 시리즈 SoC(System-on-Chip)는 효율적인 MCU와 초저전력 무선 연결 기능이 결합된 제품이다. 이 SoC는 128MHz의 Arm® Cortex®-M33 프로세서와 함께 128MHz의 RISC-V 코프로세서를 탑재하고 있어 설계 및 제품의 성능을 향상시키거나 간소화하는 데 효과적으로 활용할 수 있다. 이 글에서는 RISC-V 아키텍처의 일반적인 특징과 구현 방식을 살펴보고, 이를 통해 RISC-V 코프로세서의 가능성과 실제로 이를 효과적으로 활용할 수 있는 방법에 대해 알아보고자 한다. (참조: 이 글은 nRF54L15 SoC를 중심으로 RISC-V 코프로세서에 대해 설명하고 있지만, 여기에서 다루는 모든 개념은 nRF54LM20A SoC와 같이 RISC-V 코프로세서를 탑재한 nRF54L 시리즈의 다른 제품에도 동일하게 적용된다.) RISC-V 개요 RISC-V는 개방형 표준 ISA(Instruction Set Architecture, 명령어 집합 아키텍처)이다. 이 아키텍처는 2011년 5월 처음 등장한 이후, 모듈식 구조와 라이선스 비용이 없는 장점 덕분에 빠르게 성장하며
의료용 초음파 진단(일명 에코 진단)에 이용되는 조영제나 초음파 세정기 등 다양한 초음파 기술에서 매우 미세한 크기의 기포(버블)가 수행하는 역할은 매우 크다. 특히 마이크로미터 단위 크기의 버블(마이크로 버블)은 그 공진 주파수가 의료용 초음파 진단에 이용되는 MHz 대역과 일치하며, 체내의 모세혈관을 포함한 혈액 순환 시스템에 적합하기 때문에 초음파 조사 하의 그 거동에 대해 수많은 연구 보고가 이루어져 왔다. 음파의 파장에 대해 충분히 작은 크기의 버블은 초음파 주기에 호응한 팽창 수축 운동을 반복하기 때문에 혈류 내에서는 단순히 음파의 반사원이 될 뿐만 아니라, 입사파와는 다른 주파수를 포함하는 음파를 2차적으로 재방사하는 음원으로 작용한다. 하모닉 이미징으로 대표되는 이미징 기법에서는 송신 주파수와는 다른 수신 주파수를 해석함으로써 혈류만을 선택적으로 강조 조영한다. 따라서 초음파 조사 하의 마이크로 버블의 거동을 이해하는 것은 매우 중요하다. 지금까지의 마이크로 버블 음향 특성에 관한 실험적 검토의 대부분은 비교적 간편한 기법인 다수의 마이크로 버블을 포함하는 현탁액의 후방 산란파를 해석하는 케이스가 많다. 그러나 액체 중에 다수의 버블이 존재하는
탄성 표면파(surface acoustic wave: SAW)는 1885년에 Load Rayleigh에 의해 발견된, 탄성체 표면에 에너지를 집중하여 전파하는 파동이다. White 등과 야마노우치(山之内) 등에 의해 탄성체로 압전 결정을 이용하면 전기적으로 SAW를 송수신할 수 있다는 것이 보고되었다. SAW의 주파수는 발 모양 전극(interdigital transducer: IDT)의 구조에 의해 결정된다(그림 1 참조). 이후 SAW 디바이스의 연구·개발이 활발해져 현재는 스마트폰 등 이동체 통신기기의 듀플렉서(duplexer)나 필터로서 필수적인 디바이스가 되었다. 또한 SAW 디바이스는 필터 등 통신 용도 이외에도 센서, 양자역학 분야, 비선형 음향 분야에도 응용되고 있다. 이 글에서는 비선형 음향 분야에 대한 응용을 소개하기로 한다. Load Rayleigh에 의해 발견된 SAW는 전파 방향의 변위(종파 성분, L 성분)와 전파면과 전파 방향에 수직인 변위(횡파 성분, shear vertical(SV) 성분)가 결합하여 전파하는 파동이다. 이 2가지 입자 변위의 결합에 의해 표면의 질점은 후방 타원 회전 운동하고 있다. SAW 전파면에 액체를 올리
초음파 진동하는 면을 위쪽으로 설치하고, 진동면 위에 1엔짜리 동전을 올려놓으면, 약간의 갭을 유지하면서 부양하는 것은 잘 알려져 있다. 비접촉 이송, 비접촉 가이드 등에 대한 응용이 제안되고 있다. 이들에 공통되는 점은 진동면과 물체 사이에 척력이 발생하여, 물체에 작용하는 중력을 보상함으로써 비접촉 부양을 가능하게 하는 점이다. 진동면은 예를 들어 매초 3만회 진동하고 있는(교류 성분) 한편, 일정한 액추에이션력(직류 성분)이 존재한다. 이 글에서는 초음파 진동에 기인하는 액추에이션력의 응용에 대해서 소개한다. 비접촉 지지 해석에 의해 앞에서 언급한 척력이 마이너스가 될 수 있다. 즉 흡인력을 발생할 수 있다는 것이 보고되어 있다. 또한 테라다(寺田) 등은 판 모양 물체를 진동면 아래쪽에 비접촉 지지할 수 있다는 것을 보고하였으며, 이때 진동면 직경은 6mm, 판 모양 물체는 6mm의 원판이었다. 이 현상은 초음파 지지라고 불리며, 그림 1에 나타낸 바와 같이 판 모양 대상물에 대해 수직 방향과 수평 방향의 액추에이션(actuation)력이 작용한다. 물체와 진동면의 수평 방향에 어긋남이 있어도 진동면의 중심 방향으로 끌어당기는 힘이 작용하는 현상을 볼
이번 글은 자동화 공장에서 동시 연결을 통해 지원되는 ‘고가용성 프로세스 안전애플리케이션’에 대한 소개로 2회를 연재한다. 대부분의 프로세스 제어 및 많은 제조 애플리케이션에서는 제어 시스템의 고장으로 인해 예기치 않은 시스템 정지가 발생할 경우, 제품 손실에 따른 재정적 손해가 발생할 수 있으며 시스템 재가동에도 상당한 시간이 소요될 수 있다. 따라서 이러한 애플리케이션에서는 결함 허용 제어 시스템을 설계할 수 있는 능력이 매우 중요하다. 이는 특히 안전이 중요한 사고 발생 시, 일반적인 제조 장비에서 사용하는 즉각적인 장비 정지가 아니라 안전 상태로의 고도로 제어된 전환이 요구되는 경우 더욱 중요하다. 이러한 애플리케이션은 예기치 않은 고장이 발생하더라도 제어 시스템이 “높은 가용성”을 유지하는 것에 의존한다. 제품은 고장을 최소화하도록 설계될 수는 있지만, 완전히 제거할 수는 없다. 시스템은 단일 고장으로 인해 제어 시스템 전체가 작동 불능 상태가 되는 가능성을 제거하기 위해 이중화를 적용할 수 있다. 두 방법 모두 도움이 되지만 여전히 한계가 존재한다. ODVA는 2023년 봄 CIP(CIP Family of Specifications) 규격 개정판에
KAIST와 서울대학교 공동연구진이 배터리와 수소연료전지의 성능을 높일 수 있는 새로운 촉매 설계 기술을 개발했다. KAIST는 화학과 황승준 교수팀이 서울대학교 화학생물공학부 류재윤 교수팀과 공동연구를 통해 배터리와 연료전지 내부에서 전기를 만드는 핵심 반응의 효율을 높일 수 있는 촉매 설계 전략을 제시했다고 1일 밝혔다. 촉매는 화학 반응이 더 빠르고 효율적으로 일어나도록 돕는 물질이다. 배터리나 연료전지에서는 전기를 만드는 반응을 원활하게 하는 역할을 한다. 일반적으로 촉매는 중심 금속과 그 주변을 둘러싼 분자 구조로 구성된다. 기존 연구에서는 촉매 성능을 높이기 위해 금속 종류를 철(Fe)에서 코발트(Co), 니켈(Ni) 등으로 바꾸거나, 금속 주변의 분자 구조인 리간드를 새롭게 설계하는 방식이 주로 사용됐다. 촉매 자체의 재료나 구조를 바꿔 반응 성능을 높이는 방식이다. 이번 연구는 촉매 구조를 크게 바꾸지 않고, 촉매 주변의 전기적 환경을 조절해 성능을 높였다는 점에서 차별성이 있다. 연구팀은 촉매 주변에 양이온을 배치해 작은 전기장을 만들면 전기를 생산하는 핵심 반응이 더 안정적으로 일어나도록 유도할 수 있음을 확인했다. 그 결과 원하는 촉매 반
중공업 설비나 복잡한 자동화 시스템이 운영되는 산업 현장에서 가장 중요한 요구사항은 견고한 안전 프로그램이다. 현대 자동화는 생산성과 효율성 측면에서 큰 이점을 제공하지만, 동시에 작업자, 유지보수 인력, 그리고 자동화 장비 주변에서 일하는 모든 사람에게 잠재적인 위험 요소를 초래하기도 한다. 산업 자동화에서 효과적인 기계 안전을 확보하기 위해서는 산업 표준 준수, 포괄적인 리스크 평가, 그리고 공학적 보호 조치의 구현을 결합한 체계적인 접근이 필요하다. 이러한 보호 조치는 위험을 최소화하면서도 운영 효율성을 유지할 수 있도록 기계 설계와 제어 시스템에 통합되어야 한다. 이 글에서는 산업 자동화에서의 기계 안전 모범 사례를 살펴보고, 리스크 평가, 기능 안전 표준, 그리고 안전 및 성능 수준 목표가 신뢰할 수 있는 안전 기능 설계를 어떻게 이끄는지를 설명한다. 또한 다양한 안전 장비와 표준 기반 구현 방식이 시스템 성능을 유지하면서 인력을 보호하는 데 어떻게 기여하는지도 함께 다룬다. 기계 안전 구현 단계 자동화 환경에서 안전을 구현하기 위해서는 체계적인 기능 안전 라이프사이클에서 시작해야 한다. 이 과정에는 위험 요소 식별, 리스크 평가, 공학적 보호 조치
개요 전원공급장치 설계에서 열 관리는 신뢰성과 효율, 수명을 보장하기 위해 필수적이다. 전력 밀도가 증가함에 따라 과열과 부품 고장을 방지하기 위해 효과적인 냉각이 중요해지고 있다. 이 글에서는 자연 대류, 강제 공기 냉각, 전도 냉각, 액체 냉각의 네 가지 주요 냉각 방식을 살펴보고, 이와 함께 설계 모범 사례, 일반적인 설계상의 문제점, 그리고 시뮬레이션 도구를 소개한다. 또한 다양한 애플리케이션에서 열 조절을 지원하는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 컨트롤러도 소개한다. 열 관리 계획이 부실할 경우 시스템의 성능 저하와 수명 단축, 심지어 고장으로 이어질 수도 있다. 설계 초기 단계부터 열 관리 전략을 통합함으로써 엔지니어는 보다 견고하고 효율적인 전력 시스템을 구축할 수 있다. 머리말 열은 전자 시스템의 신뢰성에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나이다. 현대 전자기기의 핵심 구성 요소인 전원공급장치에서 열 스트레스는 성능과 시스템 무결성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 회로는 소비가전 기기에서부터 항공우주 시스템에 이르는 다양한 애플리케이션에서 안정적인 전압을 제공하기 위해 전기 에너지를 변환한다. 더 작고 성능이 뛰어난 설계에 대
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