연도별 연구과제 40 페이지첫페이지로 이동

현대의 식품, 음료, 화장품, 의약품 등에는 비타민 C나 폴리페놀과 같은 항산화 물질이 다량 포함 되어 있다. 이들은 제품의 품질과 생리활성을 유지하는 핵심 성분이지만, 온도 변화나 빛, 산소, 습도 등 환경 요인에 의해 쉽게 산화 또는 분해되어 안정성이 저하된다. 특히 제품이 냉장 상태 에서 실온으로 옮겨질 때 용기 내벽에 결로(condensation)가 발생하는데, 이 미세한 물방울은 단순한 수분 응결 현상에 그치지 않고 제품의 화학적 안정성에 직접적인 영향을 미친다. 결로수는 구형의 곡률을 가지는 미세 렌즈(microlens)로 작용하여, 외부 조명이나 자외선(UVA, blue light)을 국소적으로 집광한다. 이로 인해 결로가 형성된 부위에서는 광에너지 밀도가 증가하고, 물-산소 계면이 확대되어 광분해(photo-degradation) 및 산화반응이 촉진된다. 특히 비타민C(ascorbic acid)는 광과 산소에 매우 민감하여 이러한 환경에서 빠르게 분해되며, 항산화 능력과 색상, 향미 등의 품질 지표가 저하된다. 그러나 지금까지의 연구들은 자외선 차단 색상, 불투명 포장, 산소 차단제 등의 ‘차단 중심’ 접근에 집중되어 왔으며, 결로가 매개하는 미세렌즈 효과 및 계면 반응의 정량적 영향은 충분히 규명되지 않았다. 한편, 초발수(superhydrophobic) 표면 기술은 결로수의 부착을 방지하고, 표면에서의 빛 산란을 유도하여 집광을 억제할 수 있는 물리적 해결책으로 주목받고 있다. 초발수 표면은 나노·마이크로 요철 구조와 낮은 표면 에너지를 결합하여 물방울이 거의 부착되지 않고 쉽게 굴러 떨어지는 특성을 갖는다. 이러한 표면 특성을 포장재 내벽에 적용할 경우, 결로 형성 자체를 최소화하고 미세 렌즈 효과를 제거함으로써 광분해와 산화를 동시에 억제할 수 있을 것으로 기대된다.

주제어: 응결, 비타민C, 초발수, 광분해, 미세렌즈

결정화(crystallization)는 신약 개발과 소재 설계에서 핵심적인 공정이며, 이 과정에서 사용되는 용매는 결정의 구조, 안정성, 용해도에 직접적인 영향을 미쳐 최종 물질의 성능을 좌우한다. 그러나 현재까지 용매 선택은 경험적 방식이나 반복적인 실험에 의존하는 경우가 많아 시간과 자원의 과도한 소모라는 한계가 존재한다. 결정 구조 내 수소 결합은 분자 간 상호작용의 핵심적인 역할을 하며, 결정의 성장 방향성과 안정성을 결정짓는 중요한 요인으로 작용한다. 이때 Hirshfeld 표면 분석은 분자 표면에서의 다양한 상호작용을 시각화·정량화할 수 있는 강력한 도구로, 특히 수소 결합 기여도를 정밀하게 파악할 수 있다는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 Hirshfeld 표면 분석으로부터 얻은 수소 결합 비중 데이터를 주요 지표로 활용하여, 인공지능(AI) 모델을 통해 결정화에 적합한 용매 조합을 예측하고자 하였다. 분자 간 상호작용 지표와 머신러닝을 접목한 본 접근은 기존의 경험적 방법의 한계를 극복하고, 용매 선택의 체 계적 전략을 제공할 수 있다. 그 결과, AI 기반 결정화 설계는 고품질 결정의 재현성을 높이고 공정 최적화 속도를 가속하며, 산업적 대량 생산성 또한 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

주제어: 결정화, Hirshfeld 표면, 수소 결합, 용매 예측, 인공지능

세계적으로 심화되는 조류대발생에 조류 유래 맹독성 물질, microcystin에 의한 피해 우려도 함께 증가하고 있다. 이에 본 연구는 또 다른 환경 문제인 해양 생태계 내 유령 어업의 원인, 폐어망으로 microcystin을 제거하는 필터 제작을 진행하였다. 해당 독소를 분비하는 조류를 배양하고 파쇄하여 수용액을 얻고 PA와 함께 본 물질 흡착능을 가진 또 다른 물질인 활성탄을 채워 만든 필터에 흘려 보낸 뒤 흘려보내기 전후의 해당 물질 흡광도를 비교하였다. 비교 결과 1:0로 PA와 활성탄을 혼합하여 제작한 필터의 흡착능이 가장 뛰어났으며 이를 통하여 녹조 대발생이 자주 일어나는 지역의 피해 구제에 기여할 수 있음을 검증하였다.

주제어: microcystin, 폐어망, PA, 활성탄, 필터

천문학에서 쌍성계의 운동은 천체의 역학적 상호작용, 궤도 운동등을 이해하는데 중요한 단서를 제공한다. 쌍성계의 주(主)항성을 중심으로 공전하는 행성에서 나타나는 이중 회전 운동은 일반적인 천체의 상호작용과는 다른 도플러 효과를 보일것으로 예상된다. 이에 따라 이중 회전 운동을 하는 모형을 제작하여 실제로 도플러 효과 실험을 진행하고, Mathematica를 사용하여 파원의 자취, 시선 속도, 도플러 효과의 일반해 시각화 등의 이론적 모델링을 진행하였다. 이후 Tracker 를 사용하여 운동 궤도를 실험적으로 분석하고 Audacity 를 사용하여 주파수 변화를 측정하였다. 실험 결과와 이론적으로 분석한 결과를 비교하며 탐구의 타당성을 검증하였다. 본 연구를 통해 이중 회전의 운동 경로는 일정한 규칙성을 가질 것이라는 사실과 이에 따라 도플러 효과가 발생할 것이라는 사실을 도출하였다.

주제어: 도플러 효과, 이중 회전 운동, 쌍성계, 시선속도

물리적 충격은 제품 손상, 인체 부상, 장비 오작동 등 다양한 문제를 야기한다. 기존 완충재는 발포 고분자나 금속 스프링 기반으로 제작되지만, 충격 반응 속도와 복원력, 내구성 측면에서 한계가 존재한다. 본 연구는 자연계의 생물학적 충격 완화 구조를 모사하여 고효율 완충 메커니즘을 구현하고자 하였다. 특히 딱총새우(Pistol Shrimp)는 고속 충격파를 발생시킴에도 신체 손상을 입지 않는 독특한 구조를 지니며, 이를 모사한 완충 시스템을 설계하였다. 고속 촬영 영상과 문헌 분석을 통해 딱총새우의 팽창·수축 이중막 구조와 수압 기반 에너지 분산 경로를 해석하고, 이를 3D 모델링하여 다층 완충 시제품(외부 보호층–유체 분산층–흡수층)을 제작 하였다. 이후 동일 충격 조건에서 상용 EVA, 우레탄폼 등 대조군과 비교 실험을 수행하고, 센서를 통해 최대 충격력, 전달 에너지, 감쇠율 등을 정량 분석하였다. 그 결과, 생체모사형 완충재는 기존 상용 소재 대비 충격 흡수량과 감쇠율이 높게 나타났으며 반복 충격에 대한 내구성 또한 향상됨을 확인하였다. 본 연구는 생체구조 기반의 기능성 완충재 설계에 새로운 방향을 제시하며, 전자기기 보호, 건축 구조물, 스포츠 장비 등 다양한 산업 분야에 적용 가능성을 보여준다.

주제어: 딱총새우, 생체모사, 충격 흡수, 에너지 분산, 완충재, 3D 모델링

신재생에너지 발전 중 태양광 패널의 대표적인 문제점으로 온도 상승 효과가 있다. 연구에 의하면 온도 상승에 따른 전력 생산 효율 저감을 나타내는 평균 온도 계수는 -0.4%/℃로 알려져 있다. 문제를 해결하기 위한 방안으로 공냉식, 수냉식을 기반으로한 온도 저감 장치가 개발되어 부착하고 있으나, 외부 전력 공급이 필요하고 환경 오염에 취약하다는 단점을 지니고 있다. 이에 본 연구에서는 물의 흡탈착으로 지속적인 냉각이 가능한 냉매제와 외부 온도 변화에 따라 물 공급 및 탈수가 가능한 다공성 물질의 조합을 통한 냉각 모듈을 설계하였다. 또한 모듈의 연속 배치에 따른 모듈 배치틀의 효율도 비교하여 실제 제작에서 필요한 다양한 인과관계를 머신러닝을 통해 파악하고자 하였다. 이를 통해 다양한 패널에 부착이 가능한 반영구적, 비전력 냉각 모듈을 제작하였다.

주제어: PV패널, 흡습제, 냉각제, 모델링, 시뮬레이션

2023년 세계배드민턴연맹(BWF)이 스핀서브를 공식 금지했고, 이 조치는 2024 파리 올림픽·패럴림픽에서도 유지되었다. 스핀서브는 짧은 학습만으로도 강력한 효과를 내어 랠리를 단축시키고 경기의 공정성과 재미를 저해한다는 지적이 제기되어 규제의 근거가 되었으나, 금지의 과학적 타당성을 엄밀히 검증한 정량 연구는 거의 부재하다. 기존 논의는 직관적 설명·영상 비교에 그쳤고, 회전에 따른 궤적 변화와 불규칙 흔들림의 메커니즘은 체계적으로 규명되지 않았다. 이러한 공백을 메우기 위해 스핀서브의 역학적 특성을 물리 이론·실험·시뮬레이션으로 통합 분석할 필요가 있다. 또한 국내외 선행연구를 검토한 결과, 기존 작업은 주로 셔틀콕의 형상·저항 변화에 따른 비행 궤적을 다루었을 뿐, ‘스핀서브에 의해 유도된 회전’ 자체의 운동 특성을 집중적으로 분석한 연구는 드물다. 따라서 본 연구를 통해 셔틀콕의 회전에 따른 운동 역학 분석을 오일러 회전 운동 방정식을 통하여 다양한 방법으로 접근하고자 한다.

주제어: 셔틀콕, 운동역학, 스핀서브, 오일러 방정식, Vpython 시물레이션

본 연구는 원뿔에 그려진 곡선과 전개도 상의 형태를 비교하고 이를 지오지브라를 활용하여 시각적으로 구현하는 것을 목적으로 한다. 우선 원뿔의 전개도를 통해 최단 경로를 도출하고, 이를 매개변수로 나타내어 곡선의 좌표를 계산하였다. 이어 직선의 기울기를 비교하여 해당 곡선이 타원이 아님을 수학적으로 확인하였다. 또한 원뿔을 평면으로 절단하여 얻어지는 타원의 매개변수 방정식을 도출하고, 최단 곡선과 비교하여 그 차이를 분석하였다. 마지막으로 지오지브라를 활용해 두 곡선을 시각적으로 구현하고 검증하였으며, 원뿔의 전개도에서 나타나는 최단 경로는 타원이 아님을 분명히 할 수 있었다. 본 연구는 기하학적 분석과 소프트웨어적 구현을 통해 원뿔 위 곡선의 성질을 보 다 구체적으로 확인하였다는 점에서 의의를 가진다.

주제어: 이차곡선, 포물선, 쌍곡선, 전개도, 매개변수

본 연구에서는 수분을 이용한 '자발적 전압 생성'을 정량적으로 측정하기 위하여 전압 생성 소자인 MEG(Moisture-Enabled Generator)를 제작 및 정량적인 분석을 진행하였다. CNT의 양을 달리하여 두 번 실험을 진행하였다. 실험 결과, MEG의 최대 출력 전압은 CNT가 적은 경우 200 mV, 많은 경우 50mV로 측정되었다. MEG의 특성 분석을 통해, 과도한 수분이 전기 생성에 관여하지 않아 전압이 감소하는 경향을 확인하였다. 아울러 소자의 재사용 가능성을 검증한 결과, 초기전압이 수분에 의한 만큼은 반응하였으나 최대 전압의 변화가 미미하여 소자 재사용에 따른 성능 저하가 거의 없었음을 확인할 수 있었다.

주제어: MEG, 수분, 전압 생성

본 탐구는 친환경적인 그린 수소 자원 개발의 향상을 위하여 진행되었으며, 이를 위한 목적으로 수전해에 사용 가능한 담지 촉매의 성능 향상을 목표로 삼았습니다. 또한 부촉매의 개발로 기존의 촉매를 개선 시키는 방향으로써 연구를 진행하였고, 이를 위하여 다양한 부촉매 재룔를 탐색 및 제작 하였습니다.

주제어: 수전해, 친환경, 청정에너지, 촉매

화성 탐사용 기존 바퀴형 로버는 높은 장애물 극복에 한계가 있다. 본 연구는 영화 속 TARS의 동체 회전 원리를 영상 분석과 프로토타입으로 재현하고, 레일 액추에이터와 분산 제어(Teensy + Raspberry PICO)를 적용한 설계 및 행성 기어 기반 회전 착지부를 제안하였다. 이를 통해 접지면 부족·고중심·단일축 취약성 등의 문제를 완화하고, 누운 상태에서 안정적으로 기립하여 복잡 지형에서의 장애물 극복 가능성을 제시한다. 향후 실물 제작 및 현장 테스트를 통해 성능을 검증할 예정이다.

주제어: TARS, 회전형 동체 로봇, 장애물 극복, 회전형 발 구조.

본 연구는 태양광을 이용한 친환경 수소 생산을 위해 BiVO₄ 박막 광전극을 제작하고, NiFe를 전기 촉매로 적용하여 광전기화학(PEC) 성능을 비교한다. BiVO₄ 박막은 스핀코팅을 통해 다양한 두께로 형성되었으며, 박막의 두께와 결정성이 광흡수 및 전기화학적 성능에 미치는 영향을 분석한다. 이후 NiFe 촉매를 전극 표면에 증착하여 수소 발생 반응의 효율을 향상시키고자 한다. BiVO₄ 박막의 적절한 두께 조절과 NiFe 촉매의 도입이 PEC 시스템의 광전류 밀도 및 안정성을 크게 향상시킴을 탐구한다. 본 연구는 고효율 광전극 설계에 있어 소재 조합과 구조 최적화의 중요성을 제시하며, 태양광 기반 수소 생산 기술의 발전에 기여할 수 있다.

주제어: 그린수소, PEC 수소 생산 기술, 촉매 코팅