[보관함:] 연구 > 연구성과

전기및전자공학부 이현주 교수, 한국뇌연구원 김정연 박사 공동연구팀이 소형 동물에서 초음파 뇌 자극과 뇌파 측정이 동시에 가능한 초소형 시스템을 개발했다고 8일 밝혔다.

 

수면 상태에 따라 실시간으로 초음파 뇌 자극이 가능한 해당 기술을 이용해, 연구팀은 비 급속 안구 운동(NREM, Non-rapid-eye Movement)수면 시 전전두엽(PFC, Prefrontal cortex)을 실시간으로 자극해 수면 및 단기 기억력 조절이 가능함을 밝혔다. 

기존의 초음파 자극 기술은 부피가 커서 움직이는 생쥐에 사용이 불가능하거나 작동할 때 생기는 잡음 신호로 동시 전기 생리 신호 측정이 어렵다.

 

이현주 교수팀은 그간 이런 문제를 해결하기 위해 MEMS기반의 초소형 초음파 소자(CMUT, Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer)연구를 지속해서 수행해왔는데,이번 연구에서 뇌파 신호 측정 및 실시간 수면 분석 기술을 접목해, 뇌의 현재 상태에 따라 자극을 주는 맞춤형,폐루프 자극 시스템을 개발했다.

 

폐루프 자극 알고리즘은 6초 단위로 수면 단계를 실시간으로 분석해 비 급속 안구 운동(NREM, Non-rapid-eye Movement)수면 단계일 때 초음파 자극을 전달한다.

 

이 시스템은 잡음 신호 없이 자극과 측정이 동시에 가능하다. NREM상태 시 10시간 동안 수면 박탈 쥐의 전전두엽을 자극한 결과,단기 공간 기억력이 보호되고 급속 안구 운동(REM, Rapid-eye Movement)수면량이 증가함을 보였다. 

 

이현주 교수는 “초음파는 태아 영상화에도 활용될 만큼 안전한 인체 조사 기술 중 하나인데,인체 내부 깊숙이까지 전달되며 펴지지 않고 집중 조사가 가능해 치료를 위한 비수술적 인체 조사 기술로 매우 매력적인 기술이다ˮ라고 말했다. “하지만, 전임상 자극 시스템의 부재로 현재 초음파 자극의 효능 평가 연구가 부족한 상황이며,이번에 개발한 시스템을 많은 뇌과학 연구팀들이 활용해 초음파의 다양한 치료 효과를 밝혀낼 수 있기를 바란다ˮ라고 전했다. 

 

KAIST전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀의 조예현 박사과정, 그리고 한국뇌연구원 김정연 박사 연구팀이 주도하고 기초과학연구원 김성기 단장,한국과학기술연구원 이병철 박사, KAIST생명과학과 서성배 교수가 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’誌10월 19일 字에게재됐으며 출판사 와일리(Wiley)의 리서치 헤드라인(Research Headline)논문으로 선정됐다.(논문명:General-purpose ultrasound neuromodulation system for chronic, closed-loop preclinical studies in freely behaving rodents)

 

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 차세대지능형반도체 사업, 선도연구센터 사업, 이공분야기초연구사업과 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원으로 수행되었다.

 

[유회준교수, 박원훈, 왼쪽부터]

 

[왼쪽부터 최덕규, 이응창 (팀장), 최준호, 이승현 학생]

 

명현 교수 연구실 QAIST++팀 (팀장: 이응창 박사과정, 팀원: 송승원, 최준호, I Made Aswin Nahrendra, 최덕규 박사과정, 이승현 석사과정) 이 2022년 10월 20일 진행된 미래도전 국방기술 경진대회 (전장상황에서의 자율비행 기술경진대회 III) 에 참가해 유일하게 전체 코스를 완주하고 상금을 수상했다 (장려금 500만원, 참가 격려금 400만원, 총 900만원 수상).

시상식은 11월 6일 대전 지능로봇산업화센터에서 진행되었다.

 

본 대회는 방위사업청, 대전광역시에서 주최하고, 국방과학연구소, 대전테크노파크 주관으로 진행되었다.

본 대회는 자율 비행 드론을 이용하여 야지 환경과 같이 복잡하고 위험한 야외 장애물을 통과하고, 2층 규모의 건물에 침투해 숨겨져 있는 표적을 탐지하고, 표적의 종류와 좌표를 포함한 정밀한 3차원 지도를 작성 후, 안전하게 출발점으로 복귀하는 전장 상황을 가정한 임무 수행을 목표로 한다.

본선 진출 10개팀 중 명현 교수 연구팀만이 유일하게 전체 구간을 완주하고 출발점 복귀에 성공했으며, 숨겨져 있는 표적들을 탐지하고, 3차원 지도를 작성하였다.

이를 위해 라이더-관성 항법 (LiDAR-Inertial Odometry) SLAM 알고리즘과 장애물 회피 경로 생성 기술, 미지 영역 탐사 알고리즘, AI 기반 표적 탐지 및 3차원 좌표 추정 알고리즘 등을 모두 자체 개발하였고, 실시간으로 동작하기 위해 최적의 센서 시스템을 탑재한 가볍고 작은 드론 플랫폼을 자체 제작하였다.

 

대회 동영상 링크: https://youtu.be/bX2ZsTqsRfY

 

 

[자체 제작한 드론 시스템]

 

[경진 대회 중 드론의 자율 비행 장면 및 작성된 3차원 지도]

 

 

[전기및전자공학부 박시온 석박통합과정, 정학천 석박통합과정, 박종용 석사과정, 최신현 교수, 왼쪽부터]  

 

전기및전자공학부 박시온 연구원, 정학천 연구원, 박종용 연구원 및 최신현 교수는 점진적 산소 농도를 갖는 금속산화물 층을 활용하여 우리 뇌의 뉴런 세포의 동작을 모사하는 고 신뢰성 차세대 저항 변화 소자(멤리스터) 어레이를 개발 하였으며, 올해 Nature Communications에 출판되었다.

 

위 연구는 최근 Nature Communications의 Editor’s highlight 논문에 선정됨에 이어, Featured Image로 선정되어 홈페이지 메인을 장식하였다. 

관련 링크 : https://www.nature.com/ncomms/

 

또한 본 연구는 20022 가을 KAIST 공과대학 breakthrough 연구성과로 소개된 바 있다. 

 

[그림 1. 우리 학부 최신현 교수 연구팀의 인공 뉴런 소자 연구 개념도가 Featured Image로 선정되어 Nature Communications의 홈페이지 메인을 장식하고 있다.]

 

(논문명 : Experimental demonstration of highly reliable dynamic memristor for artificial neuron and neuromorphic computing) 

이번 연구는 삼성미래육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

[전상훈교수 사진]

 

 ｢반도체의 날｣은 우리나라 반도체 수출이 최초로 연 100억 달러를 돌파한 1994년 10월을 기념하여 제정된 이후 15회를 맞은 올해 행사는 반도체 산업발전에 기여한 산·학·연 유공자에 대한 포상을 통해 그간의 노고를 격려하는 자리로 특히, 올해는 한국반도체산업협회 창립(‘91.11.11일) 32주년을 맞아 반도체 업계가 새로운 혁신과 도전을 다짐하는 자리로 의미가 있다. 

 

산업자원부장관 표창 수상자로 선정된 전상훈 교수는 CMOS와 공정 호완성이 높은 하프니아 강유전체 소자의 조기 상업화를 위해 고압 (>200atm) 열처리, 음의 정전용량 소재의 안정화, Focused Microwave Anneal과 같은 혁신적인 공정 도입과 다양한 박막공정과 소자개발을 개발을 통해 세계적인 리더쉽을 인정받아 반도체 산업 유공자 포상자로 선정되었다.

 

데이터를 로컬에서 분석하고 자율적으로 행동 방침을 결정할 수 있는 Edge Intelligence (EI)가 필요한 상황에서 기존 소자는 무어의 법칙과 폰 노이만 컴퓨팅 아키텍처의 한계에 봉착해 있고, 이는 기존 전자 장치의 성능과 에너지 효율성을 제한하고 있다. CMOS 공정과 호환이 가능한 하프니아 기반 강유전체 전자소자는 Edge Intelligence를 현실로 만드는 새로운 기회를 열어줄 것으로 기대된다.

 

전상훈 교수와 연구팀은 차세대 미래 소자로 주목받고 있는 하프니아 기반 강유전체 전자소자의 조기 상업화를 위해 다양한 핵심 공정 개발 수행하여, 소자의 특성, 신뢰성 및 산포 개선에 효과적인 다수의 기술을 확보, 임계압 (>200atm) 열처리 공정, 음의 정전용량 소재의 안정화, Focused Microwave Anneal, Fast Ramping Fast Cooling과 같은 혁신적인 공정 도입과 자가 정류 기능의 강유전체 터널졍션 소자, 1T-nC, 3D 구조의 페로소자의 실험적 규명을 통해, 페로전자소자의 개발에 기여하였다. 

 

본 연구결과는 또한 전자소자분야 최고권위의 국제학회IEDM 2021발표되었고, 금년 IEDM 2022에서도 발표될 예정이다.

KAIST(총장 이광형) 전기및전자공학부 박사과정 노유지 학생(지도교수 황의종)이 ‘2022 마이크로소프트 리서치 PhD 펠로우’에 선정되었다.  

 

[노유지 학생]

 

수상자 리스트 : https://www.microsoft.com/en-us/research/academic-program/phd-fellowship/2022-recipients/