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본 연구는 현재 범유행하고 있는 코로나바이러스감염증-19의 소규모 감염을 파악하고 시뮬레이션을 구현하 는 것이 목적으로, 24시간동안 한 공간에 있어야 하는 기숙학교인 본교에서 진행하였다. 블루투스 비콘을 이용한 실내 측위 기법을 사용하여 실시간으로 본교의 학생들의 위치를 측정하고 딥러닝 기반 프로그램으로 표준편차를 줄여서 최대한 정확한 좌표를 유도해 내려 했으나, Flutter 앱 내부 작동의 문제로 이 과정은 실패하였다. 따라서, python의 matplotlib.animation을 이용해 임의의 이 좌표를 이용해 감염 시뮬레이션을 구현한다. matplotlib 라이브러리를 활용해 시각화 효과를 극대화한다. 추후 연구에서는 이 데이터를 가지고 여러 변수를 조작하며 감염을 줄이는 최적의 예방 방법을 찾을 수 있을 것이다. 주제어: 실내측위, 블루투스 비콘, 신경망, SEIR 모형, 그래프 이론
크랭크축을 이용해 좌우로 일정하게 구슬을 진동 시 키 장치를 제작하였다. 구슬의 수와 크기를 다르게 하고 상자의 크기 역시 다르게 하여 실험을 진행하였다. 머신러닝에 사용되는 데이터의 양을 늘리기 위해 5초 간격 으로 녹음하는 매크로를 만들어 이용하였다. 구슬의 고유진동수를 STFT 분석을 통해 알아내고, 그 과정에서 최적의 해상도를 찾아 데이터 분석에 활용하였다. 본 연구에서 데이터의 비용함수가 불안정하기 때문에 Local Optima를 건너뛰고 Gradient를 계산하는 확률적 경사하강법을 이용해 머신러닝을 진행하였다. 실험을 진행한 결과 전체적으로 전체 면적이 구슬 점유 면적의 4배보다 크다면 정확도가 높아지고 패턴인식을 위해 상용된 특징들의 경향성이 뚜렷해짐을 발견하였다. 주제어: 구슬, 충돌음, 머신러닝, 음파분석, STFT
영수증의 환경호르몬 이슈는 큰 논란거리다. 영수증에 포함된 Bispenol A(BPA)는 에스트로겐과 구조적 으로 유사하여 내분비계를 교란시키는 인체에 유해한 물질이다. 이를 해결하기 위해 BPS, PF201, D8과 같은 BPA의 대체물질의 사용이 증가했다. 하지만 이러한 대체물질들 또한 내분비계 교란, 신경독성 과 같은 다양한 유해성을 가지고 있다. 본 연구는 BPA의 대체물질 중 하나인 BPS가 BPA 대체물질로서 적합한지 분석해볼 것이다. 또한 BPS의 검출방법은 카페인의 HPLC를 통한 정량적인 검출과 같이 표준화 된 검출 방법이 없어 BPS의 검출방법을 제시하고자 한다. 주제어: BPA대체물질, BPS, 독성, HPLC
3D프린팅 기술은 기존 대량생산 시스템과 노동집약 중심 산업구조에서 다품종 소량 생산, 맞춤형 제품 생산이 가능한 첨단 제조기술로 주목받고 있다. 또한 국내 고령화 사회문제가 발생하면서 수명을 연장시 키고 개인의 양질의 삶을 보장하기 위해 맞춤형 의료 서비스에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 따라 고령화 사회문제를 인체 적합 소재 및 의료기술과 연계시켜 의료기기 금속 3D 프린팅 기술을 통한 수요 자 맞춤형 고기능성 의료기기의 개발 필요성이 증가하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 금속 3D 프린팅 제조 기술을 적용한 의료기기 제조 방식을 이해하고, 의료기기 설계를 위한 위상 최적화 연구를 수행한 뒤, 실제로 3D 프린팅 기술을 통해 수요자 맞춤형 고기능성 의료기기(추간체유합보형재)를 제작해 볼 수 있다. 주제어: 3D프린팅, 적층 제조, 의료기기, 위상 최적화 (3D Printing, Additive M anufacturing, M edical Device, Topology O ptimization)
빅데이터 연구의 발전에 따라 생명체의 유전체 데이터 역시 기계학습으로 분석하는 생물 정보학 분야의 발전이 이루어지고 있다. 생물 정보학은 생물학적 데이터를 저장, 검색, 구성하고 분석하는 데 생물공학 IT 등의 컴퓨터 데이터 기술을 사용하는 분야를 말한다. 이 분야에 관련하여 대장암 CMS의 종류와 특징 분석을 통해 바이오마커 탐색 기법 연구가 진행되었다. 바이오마커는 일반적으로 단백질이나 DNA, RNA 대사물질 등을 이용해 몸속의 변화를 알아낼 수 있는 지표를 의미한다. 고등학교 교육과정에서 배우는 생명 중심원리에 대한 이해를 기반으로 대장암 CMS를 일으키는 유전자들을 Jupyter Lab에서 python coding을 통해 분석하였다. 데이터마이닝을 통한 바이오마커 탐색 기술은 앞으로도 더 많은 암 혹은 불치병 치료를 위해 사용될 전망이다. 주제어: 유전체 데이터: DNA 염기서열로 이루어진 생명체에 관한 정보, 기계학습: 머신러닝으로도 불리며 인공지능과 같은 알고리즘이 데이터를 기반으로 분석하여 새로운 데이터에 대한 결론을 도출함, 빅데이터: 많은 양의 기계학습의 바탕이 되는 데이터, 데이터 마이닝: 데이터를 분석하여 필요한 정보를 도출, 대장암: 대장 세포의 돌연변이로 생기는 4가지 CMS로 나뉨.
본 연구는 난민들에게 구호식량을 보내기 위한 구호식량들의 최적의 조합을 찾아 난민들의 구호활동에 도움을 주기 위해 진행하였다. 우선 알고리즘을 코딩하기 전에 알고리즘이 전반적으로 어떻게 진행되 는지에 대한 순서도를 작성하였다. 식품군 데이터를 얻은 후, 구호식량의 적합성을 판단하는데 필요한 지표를 선정하여 그에 중점적으로 데이터를 정리하였다. 이후, 유전 알고리즘의 자식 해에서 다음 세대로 넘어갈 해를 정할 목적함수를 수립하였고, 이를 통해 유전 알고리즘을 구현하여 실행하였다. 알고리 즘의 결과로, 세대를 반복해 회차가 반복될수록 식품의 점수가 비례하게 나타났다. 이에 유전 알고리즘 의 결과로 유통기한이나 에너지 등 적합성이 탁월한 식품이 선정됨을 확인할 수 있었다. 난민의 구호 식량 조건을 수식으로 점수화하고 유전 알고리즘을 이용해 최적 조합을 찾은 본 연구의 결과가 어려움에 처한 난민을 돕는 구호 물품의 제작에 수학적인 판단의 근거로 활용될 수 있을 것이다. 주제어: 구호식량, 인공지능 수학, 유전 알고리즘
본 연구는 오염 물질의 농도 변화 관찰 실험과 전산유체역학 시뮬레이션을 통해 환기, 공기청정기의 풍량 및 위치를 변인으로 데이터를 확보하고, 인공 신경망을 훈련시켜 최적의 실내 공기 정화 시스템을 도출하는 것을 목적으로 하였다. 실험 결과 환기를 통해 오염 물질의 농도를 빠른 시간 내에 낮출 수 있으나 200 이하로 감소시킬 수는 없었다. 공기청정기를 강풍으로 틀었을 때는 환기를 하는 것보다 오염 물질을 빠르게 모두 제거할 수 있었으며 약풍일 때는 초기 제거 속도는 빨랐으나 시간이 지날수록 효율이 낮아졌다. 공기청정기의 위치는 공간 구석이 중앙보다 더 짧은 시간이 소요된다. CFD 시뮬레이션을 통해 다량의 데이터 를 얻고자 했으나 오염 물질 입자 구현과 공기청정기를 구현하는 모델링 과정에서 어려움을 겪었고 이를 해결하지 못하였다. 실험 결과를 바탕으로 한 최적의 공기 정화 방법은 환기를 활용할 경우 초기 오염원의 농도에 따라 환기를 최대 5분 가량 시행한 후 공기청정기를 구석에서 강풍으로 트는 것이다. 또는 환기를 하지 않는다면 공기청정기를 구석에서 강풍으로 계속 트는 것이 효율적이다. 주제어: 실내 공기 정화 시스템, 미세먼지, 인공신경망, CFD, 유동가시화
본 연구는 다음 제목과 같이 리간드에 따라 착화합물이 어떠한 파장을 흡광하는지에 대해 분석하고 리간드의 세기와의 상관관계를 분석하는지에 대해 탐구하기 위해 시행되었다. 실험의 조작변인을 금속의 종류와 리간 드의 종류로 설정하였고, 이들을 반응시켜 착화합물을 만든 다음 UV-vis 분광법을 이용하여 흡광도를 측정한다. 이렇게 얻어진 실험 데이터를 분석하여 리간드가 강한장인지 약한장인지에 따라 흡광도에서 어떠한 경향성을 보이는지에 대해 경향성을 분석하였다. 또한 이미 정확한 화학반응식을 여러 가지 논문이나 사이트를 통해 찾아 맞는 결과가 나왔는지에 대해 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 리간드와 금속의 수를 늘려 더 확실하고 명확한 연구를 진행해보고 싶다. 주제어: 착화합물, 리간드, 흡광도, 결정장 이론, 오비탈
레이저 유도 그래핀은 레이저를 이용해 제작하는 그래핀으로 패턴화가 가능하다. 본 연구에서는 패턴에 따른 저항을 연구하고, 그를 통해 저항의 수학적 예측 방안을 마련하였다. 레이저 유도 그래핀의 제작 조건을 탐구하여, 낮은 저항을 갖는 그래핀의 제작 방법에서 초점거리와 레이저 진동수가 중요함을 밝혀내었다. 또한 그래핀의 미소 부위를 작은 저항으로 간주하여 연결 방식에 따라 전체 저항을 구하는 방법을 마련하였다. 저항의 길이, 두께가 변화하는 것을 함수로 잡은 뒤, 본 연구에서 구한 식에 따라 계산하면 저항을 알아낼 수 있다. 저항의 직렬연결 식과 병렬연결 식을 각각 적분과 구분구적법으로 유도하였다. 이를 적절하게 조합하여서 사용하면 임의의 패턴화된 그래핀에 대해 수학적으로 그 저항값을 예측할 수 있다. 이를 통하여서 원하는 저항값을 갖는 그래핀을 제작할 수 있다. 주제어: 레이저, 그래핀, 패턴화, 저항, 수학적 예측
식물을 키울 때 공급하는 물 종류와 자라는 토양 속 중금속에 의해 식물의 상태, 농작물의 경우 생산량이 달라진다. 식물을 키울 때 중금속의 영향을 배제할 수 있다면, 식물의 생장 상태에 있어 이득이 있을 것으로 보았다. 따라서 세종과학예술영재학교 주차장 토양을 대상으로 3단계 연속추출법을 적용하여 함유된 중금속의 양을 파악한다. 그 결과 용출량이 많은 중금속인 납을 표적으로 하였다. 표적 중금속의 용출량을 줄여주는 안정 화제를 토양 속에 공급함으로서 중금속의 용출량을 최소화 시킨 모델을 제시하고, 해당 모델에 식물을 직접 키움으로서 효과를 입증하고, 사용에 용이하도록 개량을 목적으로 하고자 하였다. 주제어: 중금속, 토양, 용출, 식물 생장 예시(5개 이내)
커피박은 비료로 활용할 수 있지만 폐기되는 양이 많다. 또 벽돌에는 탄소 배출이 많은 시멘트가 함유 되어 무시멘트 벽돌 연구가 필요하다. 본 연구에서는 임시주택의 건축자재로 활용될 수 있으며 비료로 재활용될 수 있는 친환경벽돌을 제작하고 평가하고자 한다. 황토와 커피박, 해조류(알긴산) 접착제를 주 재료로 하여 벽돌을 제작했다. 커피박과 황토의 비율이 7:3일 때 압축 강도가 가장 높았다. 동일 방법으로 제작한 황토벽돌보다 높았고, KS에 제시된 1종 콘크리트 벽돌, 점토벽돌의 기준에 부합했다. 벽돌을 부숴 상추의 거름으로 사용했을 때 효과가 나타났다. 친환경 벽돌의 건축자재, 비료로서의 성능이 입증 되었으며 이는 곧 건축폐기물, 커피박 폐기물을 줄이고 나아가 환경오염과 기후변화를 막는데 기여할수 있다. 주제어: 커피박, 친환경 벽돌, 해조류 접착제, 알긴산나트륨, 압축강도
제방을 강하면서도 친환경적이게 만들기 위한 방법으로 현재 바이오폴리머 공법이 널리 연구되고 있다. 미생물유래 잔탄검 계열 바이오폴리머는 흙으로 만든 제방 표면에 혼합토를 분사할 시, 제방 자체를 강화하는 효과 뿐만 아니라 식물 생장에도 도움이 된다는 것이 확인되었다. 제방 제작을 위해 잔탄검 계열 바이오폴리머를 사용하였을 때, 바이오폴리머 혼합 비율에 따른 혼합토의 강도를 측정하고자 한다. 또한 이 혼합토에서 귀리를 길렀을 때의 발아율, 생장률을 비교하여 제방에 사용하기에 적합한 최적의 바이오폴리머 혼합 비율을 찾는다. 강도는 바이오폴리머 비율이 높을수록 세질 것이라 예상하나, 귀리의 발아와 생장은 일정 비율을 지나면 오히 려 저해될 것이라 예상하였다. 실험 결과, 바이오폴리머의 비율은 원예토 1kg당 15g을 섞었을 때 가장 높아짐을 확인하였고, 강도 역시 1kg당 15g을 섞었을 떄 가장 강했다. 다른 종류의 바이오폴리머, 식물종을 사용하는 경우는 결과가 달라질 수 있으므로 이들에 대해서도 같은 연구를 진행할 필요가 존재한다. 주제어: 바이오폴리머, 제방, 표면 녹화, 귀리