Electrical Engineering and Computer Science

-DGIST황재윤교수팀,초음파빔형태를실시간자유자재로구성할수있도록하는딥러닝네트워크및학습프레임워크제안-국제학술지인IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl에12월호표지논문게재-알츠하이머,우울증,통증등초음파뇌자극․치료분야에서환자맞춤형정밀자극기술개발로이어질것으로기대돼DGIST(총장국양)전기전자컴퓨터공학과황재윤교수팀은홀로그램원리를기반으로집속초음파형태를자유자재로실시간구성할수있는딥러닝기반초음파홀로그램생성프레임워크기술을개발했다.향후정밀함이필요한뇌자극․치료분야에서기반기술로써활용될수있을것으로기대된다.초음파는태아검사를위해서사용될만큼안전한기술이다.수술없이심부영역을자극할수있어최근에는뇌자극및치료등을위한방법이연구되고있으며,실제초음파뇌자극을통해알츠하이머,우울증,통증등질병이호전됐다는결과가발표됐다.하지만현재기술로는초음파를한개의작은점혹은큰원형태로집속하여자극에사용하기때문에여러영역이상호작용하는뇌의관련영역들을동시에선택적으로자극하기어렵다는문제점이있다.이를위한해결책으로홀로그램원리를이용하여원하는영역에자유자재로초음파를집속할수있는기술이제안되었지만,정확도가낮고홀로그램을생성하기위한계산시간이오래걸린다는한계가있다.DGIST황재윤교수연구팀은이를해결하기위해초음파홀로그램생성을학습하여자유롭고정확한초음파집속을실시간으로구현할수있는딥러닝기반학습프레임워크를제안했다.그결과황교수팀은기존초음파홀로그램생성알고리즘방법대비최대약400배나빠른실시간에가까운홀로그램생성시간을보이면서도더정확하게초음파를원하는형태로집속시킬수있음을보였다.연구팀이제안한딥러닝기반학습프레임워크는자기지도학습방식으로초음파홀로그램생성을학습한다.자기지도학습이란정답이없는데이터를가지고스스로규칙을찾아정답을찾을수있도록학습하는방법이다.연구팀은초음파홀로그램생성을학습하기위한방법론,초음파홀로그램생성에최적화된딥러닝네트워크,새로운손실함수등을제안하였으며,시뮬레이션과실제실험을통해각구성요소의유효성,우수성을증명했다.DGIST전기전자컴퓨터공학과황재윤교수는비교적최근에제안된초음파홀로그램에딥러닝기술을접목했고,결과적으로자유자재로신속,정확하게초음파빔의형태를생성하고변화할수있는기술을개발하게됐다며,이번연구결과가맞춤형정밀뇌자극기술과초음파전반적인분야(초음파영상,열적치료등)에서활용되기를기대한다.고밝혔다.한편,이번연구는과학기술정보통신부의4대과학기술원공동연구프로젝트지원을받아수행됐으며,DGIST정보통신융합연구소이문환연구원,전기전자컴퓨터공학과류하민,윤상연박사과정생을비롯해GIST김태교수팀이참여했다.연구결과는관련분야국제학술지인IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl에12월호표지논문으로게재됐다.연구결과개요DeepLearning-BasedFrameworkforFastandAccurateAcousticHologramGeneration(MoonHwanLee(DGIST),HahMinLew(DGIST),SangyeonYoun(DGIST),TaeKim(GIST)andJaeYounHwang(DGIST))(IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl,on-linepublishedonNov.,4th,2022)음향홀로그래피는비접촉입자조작,비침습적신경변조및의료영상과같은다양한응용분야에서주목을받고있다.그러나음향홀로그램을생성하는방법에대한연구는적으며,기존의음향홀로그램알고리즘조차빠르고정확한음향홀로그램생성에제한적인성능을보여새로운응용분야의발전을저해하고있다.우리는본연구에서빠르고정확한음향홀로그램생성을달성하기위해딥러닝기반프레임워크를제안한다.이프레임워크는자동인코더구조를가지고있어주어진정답이필요없는비지도학습으로구현되었다.프레임워크를위해우리는홀로그램생성의비지도학습에적절하도록새롭게개발한홀로그램생성네트워크(Holographicultrasdoundgenerationnetwork,HU-Net)와에너지효율적초음파집속을위해고안된새로운손실함수를보였다.더나아가,여러홀로그램기기(초음파변환자)를고려하기위해,물리적한계층을제안하였다.3D프린팅렌즈를붙인단일소자초음파변환자와2차원배열형초음파변환자와같이두가지다른홀로그램기기에대해시뮬레이션과실험적연구를수행하였다.제안하는프레임워크는반복각스펙트럼접근법과현재최고수준의반복최적화방법인Diff-PAT과비교되었다.시뮬레이션연구에서,제안하는프레임워크는반복각스펙트럼접근법보다높고Diff-PAT와비슷한재구성품질을수백배더빠른속도로보였다.실험연구에서,프레임워크는각기다른방법을이용해제작된3D프린팅렌즈를이용하여평가되었으며,재구성품질에미치는렌즈의물리적영향이논의되었다.여러경우에대한제안하는프레임워크의결과는우리프레임워크가기존의다른초음파홀로그램응용을위한매우유용한대안도구가될수있으며새로운의료분야응용을확장할수있음을시사한다.연구결과문답Q.이번성과무엇이다른가?초음파홀로그램은초음파를원하는영역에집속시키기위한비교적새로운개념인데,기존에는그정확도가낮고홀로그램을생성하는계산시간이수초에서수십초정도로느렸다.따라서최근초음파를이용하는뇌자극과같은연구분야에서실시간정밀자극을위한목적으로활용하기에는어려움이따랐다.본연구에서는딥러닝을기반으로초음파홀로그램생성학습프레임워크를제안하고실시간으로초음파를원하는영역에정확하게집속시킬수있다는점을보였다는점에서기존연구와다르다고할수있다.Q.어디에쓸수있나?최근연구가활발해지고있는초음파뇌자극기술은현재단일소자초음파변환자를이용하여단순히한개의점혹은큰원에초음파를조사하는방식이다.하지만최근여러영역이상호작용하는뇌기전을고려하기위해관련영역을동시에자극하는것이더좋은효과를보일수있음이밝혀졌다.따라서뇌심부다수영역동시자극및효과향상에있어제안하는프레임워크가적용될수있을것이라고기대하고있다.Q.실용화까지필요한시간과과제는?현재초음파뇌자극은전임상실험을통해알츠하이머,우울증,통증등여러질병들을호전시키는결과를보였다.또한임상에서도그효과를보여최근파킨슨병에대해FDA승인을받은바있다.하지만인체기관중에서도중요한뇌를다루는만큼실생활에서접하기까지는질병호전메커니즘규명,안정성검증등많은연구가더필요하다.Q.연구를시작한계기는?본연구팀은고주파초음파를이용한단일세포자극및분석에대해오랫동안연구를진행해왔다.세포와비교하여뇌는더욱복잡한기전이존재하는인체기관인데도불구하고초음파를뇌전체혹은단일영역에만조사하는부분에대해의문을느꼈고이를해결하기위해초음파홀로그램에딥러닝을접목하여초음파기반정밀뇌자극․치료기술의기반을마련하고자하였다.Q.어떤의미가있는가?알츠하이머,우울증,통증등치료제가없거나약물치료에의존하여부작용․중독을낳는뇌질환에대해최근초음파뇌자극이효능을보이는데실제부작용없는임상활용을위해서는정밀한자극이필수적일것이다.제안하는프레임워크는이러한목적을달성할수있는기반을마련하는기술로서의미가크며,이외에도초음파집속을필요로하는초음파영상,열적치료등의분야에서도활용될수있다는점에서의미가있다고할수있다.Q.꼭이루고싶은목표는?제안하는프레임워크를기반으로초음파정밀뇌자극․치료기술을개발하여안전한뇌질환치료에기여하고싶다.그림설명[그림1]IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl"12월호표지논문게재[이 게시물은 최고관리자님에 의해 2023-03-10 10:33:21 연구성과에서 복사 됨]

-DGIST강홍기교수·KIST정승준박사공동연구팀,투명고분자열전소재의인쇄공정을이용한초고속무전력광열효과온도센서기술개발-뇌자극·암치료·초고속PCR등에제시되고있는나노광열현상을빛의간섭없이직접고해상도측정할수있는가능성열어…‘MaterialsHorizons’10월온라인게재DGIST(총장국양)의전기전자컴퓨터공학과강홍기교수는KIST(원장윤석진)소프트융합소재연구센터정승준박사와빛을이용하여발생하는온도변화를실시간으로빠르고정밀하게측정할수있는투명온도센서를개발했다고6일(화)밝혔다.본기술은민감한온도변화를활용하는다양한바이오응용디바이스발전에기여할것으로기대된다.플라즈모닉나노물질을이용한광열효과는빛을이용한독특한발열특성으로인해최근뇌신경자극,약물전달,암치료,초고속PCR과같은다양한바이오응용분야에폭넓게제시되고있다.하지만,이러한광열현상에의한온도변화측정은여전히열화상카메라를이용한간접적이고느린계측방식에의존하고있어빠르게는수밀리초수준,좁게는수십마이크로미터수준으로변하는단일세포수준의국소적인온도측정에는적합하지않다는한계가있다.이처럼온도변화의정밀한정보부재로인하여,광열효과기술은높은응용파급효과에도불구하고,정밀한온도변화에따른생물학적변화의이해와안정적인임상적용에대한우려가제기되어왔다.이에본공동연구진은온도차발생에의한빠른전하이동으로전압신호가발생하는열전효과를이용해수밀리초미만의빠른온도변화도측정할수있는온도센서기술을개발했다.특히,전하저장에적합한전도성고분자인투명‘PEDOT:PSS’의유기열전층활용을통해빛에의한간섭을줄인직접적인광열현상측정기술을확립했다.50나노미터두께의얇은PEDOT:PSS열전센서는가시광선영역에서평균97%의높은투명도를확보하여광열현상부위에직접적인적용이가능하기때문에,빛의간섭을최소화하여다양한광열바이오공학및의학응용기술에직접적용할수있다.또한,사용된고분자열전소재의경우저온용액공정이가능하여,일반반도체공정에비해소자제작이간단한잉크젯프린팅공정을이용하여제작하였으며,프린팅공정의장점인높은디자인자유도를활용할수있었다.본연구를통해개발한투명열전온도센서기술은최근광유전학을통해널리알려진빛을이용한뇌활동조절의광학적신경인터페이스의메커니즘을이해하는데활용될수있으며,국소적높은열로암세포를치료하는원리분석에활용될수있다는점에서핵심적인기술이다.또한,무전력동작원리를통해웨어러블소자,투명디스플레이소자및전력반도체의국부적인열화현상의분석등차세대반도체기술에도적용할수있을것으로기대된다.DGIST전기전자컴퓨터공학과강홍기교수는“빠르고국소적인열발생이최대장점인광열효과를직접정밀하게측정하는기술을제안했다는점에서의미가있다”라며“향후미세반도체공정을통해다양한바이오전자칩과의결합하여심층적인바이오공학분석과의공학적용가능성을기대한다”라고말했다.본연구는DGIST전기전자컴퓨터공학과이준희박사과정생,홍나리박사후연수연구원,KIST의황성권박사과정생주도의공동연구로진행되었으며,한국연구재단을통해과학기술정보통신부에서지원하는기초연구사업,국가핵심소재연구단-특화형사업,KIST기관고유사업,DGIST기관고유사업의지원을받아수행되었다.이번연구의성과는관련분야최우수국제학술지인‘MaterialsHorizons’에온라인게재됐다.···연구결과개요HightemporalresolutiontransparentthermoelectrictemperaturesensorsforphotothermaleffectsensingJunheeLee,SeongkwonHwang,NariHong,JeonghunKwak,JaeEunJang,SeungjunChung,andHongkiKang(MaterialsHorizons,on-linepublishedonOctober18th,2022)나노물질기반의광열효과는높은시공간분해능의발열특성으로인해신경조절,광열치료,광열약물전달과같은다양한의공학분야에유용한기술로서활발히개발되고있다.하지만,광열효과에의한온도변화를직접적으로측정하는데있어기존온도센서들의낮은투명도는빛에의한간섭을피할수없기에적합하지않다.또한,수십ms수준의느린온도측정성능은나노물질의광열특성에의한빠른열발생속도를모니터링하기에부족하다는한계를가지고있다.본연구에서는이러한문제를해결하기위해열전효과의빠른응답특성을활용하여PEDOT:PSS열전소재기반의높은시간분해능을가지는투명열전온도센서를개발하였다.PEDOT:PSS열전층은최근양자점디스플레이양산공정에활용되는잉크젯프린팅공정을통해제작되었다.또,온도측정을위해따로구동전력이필요하지않기때문에외부전력에의한자체발열현상이없어더욱정밀한모니터링이가능하다.본연구의투명열전온도센서는광학적투명도,생체적합성및고속의온도측정성능의검증을통해다양한바이오소자에적용될수있음을확인하였다.투명열전온도센서는신경신호측정을위한미세전극과의결합을통해향후신경인터페이스의기본적인메커니즘이해에활용될수있으며,다양한반도체소자의온도측정기술에활용될수있을것으로기대된다.···연구결과문답Q.이번성과무엇이다른가?온도센서기술들은낮은투명도및느린계측속도로인해광열효과에의한빠른온도변화를직접적으로정밀하게측정할수없었다.연구의투명열전온도센서는빛에의한간섭없이광열효과에의한온도변화를수ms수준으로고속모니터링이가능하게했다.,생체적합성이뛰어난유기열전소재를잉크젯인쇄공정함으로써복잡한패터닝과정없이도높은디자인자유도로미세구조를제작하여향후환자맞춤형소자등다양한바이오응용분야에활용할수있음을검증하였다.Q.어디에쓸수있나?온도변화기술은최근빛을이용한암치료,뇌활동조절,초고속PCR등파급효과가높은다양한의공학분야에제시되어왔다.하지만,정확한온도변화측정이제한적인점이늘응용한계점으로언급되어왔다.본투명열전온도센서를이용하면,정밀한계측을통해앞서언급한응용분야의안정적인활용이가능하다.잉크젯인쇄공정이가능하다는장점이있어유연소자및웨어러블바이오센서등에적용될수있다.,열전소재의특성으로전력소모없이동작이가능하다는장점이있어,다양한반도체소자의성능감소를일으키는특정영역의발열현상을계측하면서동시에온도에따른발생전압을수확하는기술로활용하는등,차세대반도체소자의안정성모니터링에도적용될수있다.Q.실용화까지필요한시간과과제는?연구에서제작된투명열전온도센서소자는현재광학적기술을통한신경활성측정은가능하지만,전기적신경신호기록을위한전극을도입하기에는아직구조적인한계가존재한다.세포온도변화와전기신호를동시에측정할수있는미세전극칩및열전온도센서의소형화및소자구조개선,공정프로세스개발을진행하고있으며,빠른시일내에생물학적으로유의미한응용결과를찾기위해노력하고있다.Q.연구를시작한계기는?효과를이용한온도변화기술은암치료,뇌활동조절,초고속PCR등다양한바이오공학및의공학응용분야에적용되어활발한연구와개발이되고있다.파급효과가높은응용분야인데,실용화를위해서는온도변화의정밀한분석과제어가필요하나기존온도센서기술은여러가지기술적인한계가있어서,기술적용이제한되었다.기술적한계를극복하고직접적으로정밀하게광열효과에의한온도변화를측정할수있는온도센서가필요하다는것을인지하였고,본연구진이확보하고있던유기열전소재와미세인쇄공정기술이기존의문제를획기적으로해결할수있음을인지하여,성공적인온도센서개발을통해앞서언급한다양한뇌공학,의공학기술의상용화에기여하고자하는목표를가지고연구를시작하였다.Q.어떤의미가있는가?연구는광학적신경신호측정및신경활성조절분야및온도변화에따른암세포의반응등의핵심적인이해를도울수있는핵심기술요소로써활용될수있다.에너지발전및펠티어쿨링등에너지응용분야로많은발전을이루고있는열전소재를생체친화적투명열전온도센서로개발하여파급효과가높은바이오전자및의공학에제시하는최초의시도로향후온도센서응용다양화와추가발전가능성을높일수있는중요한업적이될수있을것으로기대한다.기술의높은투명도및유연성을바탕으로디스플레이및웨어러블반도체소자등의기술에적용할수있으며,우수한생체적합성소재의적용을통해생체신호측정등의바이오소자에활용할수있다.Q.꼭이루고싶은목표는?연구를통해검증된열전온도센서의단일세포의온도변화측정가능성을기반으로미세전극어레이칩과결합된새로운다기능성바이오칩공정기술및활용가능성에대한검증을이어가고자한다.세포의온도및신호의상관관계에대한이해를바탕으로신경인터페이스의기본메커니즘에대한심층적인분석을하고자한다.내조건에서의기술확립을기반으로생체내신경세포들이광자극에의한온도변화를측정하는플랫폼을구축하고자한다.변화의정밀정보를요구하는응용분야에종사하는다양한공학자,과학자와협업하여궁극적으로우리의질병을치료하고,삶을이롭게하는높은파급효과의다양한응용연구개발로확장하고자한다.···그림설명[그림1]투명열전온도센서개발개념도(그림설명)잉크젯인쇄공정에의해제작된투명열전온도센서의동작원리.투명한열전층에서광열효과에의해발생한온도차이에따라생성된제벡전압을측정(우측)[그림2]투명열전온도센서의온도측정성능비교(그림설명)10ms미만의광열온도변화에따른투명열전온도센서(실선)및열화상카메라(원)의온도측정성능비교(좌측).투명열전온도센서의경우1ms동안의광열온도변화까지측정가능한우수한성능을가짐(우측) [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2023-03-10 10:32:59 연구성과에서 복사 됨]