바이오 헬스케어 분야 국가연구개발 특허 성과 분석을 통한 투자 효율화 연구

권영은 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내석사

2017년 국가연구개발의 BT 분야 투자는 약 3조 4천억원에 육박하였고 전체 비중의 19.3%로 가장 많이 투자되었다. 정부에서 이토록 바이오 헬스케어 분야에 투자 규모를 확대하고 있는 것은, 새로운 경제를 견인할 “바이오 경제” 패러다임을 전망했기 때문이다. 이처럼 확대되는 바이오 분야의 연구 규모 확대에 따라 본 연구는 바이오 헬스케어 분야 국가연구개발의 기술 융합 파악을 위해 IPC 기반 특허 성과 네트워크 분석을 시도함으로써 기존 통계적 국가연구개발 성과분석의 한계를 개선하고 데이터 분석 기반의 바이오 헬스케어 분야 국가연구개발 투자 방향성 및 효율성을 제시하고자 하였다. 본 연구는 국가연구개발 사업 관련 과제, 성과 등의 정보를 정량적으로 제공하고 있는 NTIS로부터 데이터를 입수하여 바이오 헬스케어 분야의 2008년부터 2016년까지 총 9년간의 과제 및 특허 성과 정보를 데이터로 활용하여 기초 통계 분석, 차이 분석, 네트워크 분석, 연도별 네트워크 클러스터 분석을 수행하였다. 기초통계 분석 결과 바이오 헬스케어 분야 연구투자비의 연평균 성장률이 8.94%로 전체 국가연구개발 5.84% 대비 빠르게 성장하고 있는 것으로 나타났다. 특히 특허 성과는 전체 국가연구개발보다 2배가량 많은 성과를 생산하고 있음을 확인했으며, 바이오 헬스케어 분야의 질적 성과인 특허 성과는 대폭 증가하는 반면에 경제적 성과인 기술이전과 사업화 성과는 미흡한 것으로 나타나, 경제적 성과의 확대 필요성이 강조되는 분석 결과인 것으로 확인됐다. 전체 네트워크의 클러스터를 기준으로 기술 분류를 추출한 결과 진단 기술, 의약품기술, 질병 마커 기술, 나노 바이오 기술로 구분되었다. 구간별 네트워크를 분석으로는 클러스터별 기술인 진단 기술, 의약품기술, 재료분석 기술, 나노 바이오 기술이 융합·진화하는 것을 확인했다. 우선 진단 기술은 연구 규모가 대폭 확대되어가며 AI 기술, 전자통신기술, 의료기기들이 활발히 융합되고 있고 의약품 기술은 질병마커 기술과 융합하여 신의약품 기술로 확대되었다. 나노 바이오 기술은 초반 반도체, 나노재료에서 세분화 되며 각각 나노 측정 기술, 나노 소재로 확산되거나 신의약품 기술로 융합되는 형태를 나타냈다. 본 연구의 바이오 헬스케어 분야 국가연구개발 특허 성과 네트워크 분석 결과로 얻은 시사점으로는 첫째, 기술이전 및 사업화 네트워크 분석 결과에서 의약품분야 클러스터에서 대조적으로 식료품 기술군과 신의약품이 기술군이 도출되었다. 향후 시장 진입 장벽이 낮은 식품기술군보다 하이테크 기술인 질병 바이오마커, 정밀진단, 단백질 치료제, 유전체기술 분야에 집중적으로 연구개발 투자를 확대해야 함을 시사했다. 둘째, 진단 기술 분야의 경우 AI 관련기술의 융합성이 증폭되는 현상을 확인했다. 하지만 데이터 연구 측면을 분석한 결과 외생데이터 연구개발에 편중되어 있음을 확인했다. 앞으로 유전체 데이터, 임상데이등 균형적 데이터 분석과 연구가 수행되어야 하겠다. 본 연구 결과는 바이오 헬스케어 분야의 정책 시행으로 인한 성과의 변화를 직관적으로 해석 가능하게 했으며 국가연구개발로 생산되는 특허 성과를 통해 기술적 세부 특성을 도출하고 기술 융합 측면에서 데이터 분석 기반의 국가연구개발 투자 방향을 제시할 수 있었다는데 그 의의가 있다. 앞으로 본 연구에서 활용한 국가연구개발 특허 성과 분석 방법을 향후 다양한 분야에 적용함으로써 타 분야의 전략적 정책 수립에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

수계 폴리이미드 전구체를 이용한 HIPPE 기반의 다공성 폴리이미드 복합 소재 개발 및 응용연구

양관수 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내석사

다공성 폴리이미드는 우수한 내열성, 기계적 특성 및 전기절연성을 나타내는 소재로써 자동차, 선박 및 우주항공 분야에서 고내열성 단열재로 널리 이용되고 있으며, 고속전철에서 사용되는 대형 모터의 절연체, 반도체 층간 절연막 등 전기 전자 분야에서 고내열성 절연체로 이용된다. 이외에도 고온 안정성과 우수한 기계적 물성이 필수적인 전기자동차 배터리 분리막, 고온의 산업 배기가스 기체 분리막 등 응용 분야가 넓어짐에 따라 요구하는 물성에 맞춰, 기공 크기 및 기공률을 제어할 수 있으며 균일하게 분포된 기공을 갖는 다공성 폴리이미드 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. High internal phase Pickering emulsion(HIPPE)을 기반으로 한 다공성 고분자 복합재료(polyHIPPE) 제조법은 높은 기공률과 비표면적 및 우수한 충전제 분산성을 나타내며, 기공 크기 및 기공률 조절이 용이한 방법이다. 또한 첨가된 충전제의 특성에 따라 복합재료에 추가적인 물리적, 화학적 특성을 강화시킬 수 있기 때문에, 첨가한 충전제에 따라 다양한 응용이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 수계 기반의 폴리이미드 전구체를 이용하여 high internal phase Pickering emulsion(HIPPE) 기반의 폴리이미드 복합 폼을 제조하였다. 폴리이미드 전구체는 3차 아민을 이용한 암모늄 염 반응을 통하여 물에 용해되었고, 에멀젼의 수상(water phase)으로 이용하였다. 제조된 폴리이미드 복합 폼의 단면 모폴로지를 주사전자현미경으로 확인하였고, 높은 다공성과 우수한 입자 분산성을 확인하였다. 또한 HIPPE 제조 시 무기 입자를 80 wt%까지 과량으로 첨가하더라도 PI 복합 폼 및 필름이 균열 없이 제조되었으며, 우수한 입자 분산성을 유지하였다. 이후 간단한 압축 공정을 이용하여 복합 폼을 복합 필름으로 제조하였고 내부 기공률을 압축 공정의 온도 조건에 따라 조절하였다. 이렇게 기공률이 제어된 BN/PI 다공성 복합필름들의 열 확산도와 유전특성을 분석하였으며, 우수한 열 전도성과 낮은 유전상수 및 유전손실 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 높은 열 전도성과 낮은 유전특성을 모두 갖춘 BN/PI 다공성 복합필름의 간단한 제조 방법을 제시하고 고주파 영역에서 사용되는 전자 장치의 포장 재료로써 이용 가능성을 확인하였다.

Study on real-time classification of L-H transition in KSTAR plasmas based on machine learning

신기욱 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내박사

H 모드 운전은 실험적으로 의미 있는 토카막 장치의 성능과 ITER의 임무를 달성하기 위해 필수적이라는 것이 널리 받아들여져 왔다. 그러나 플라즈마가 H 모드일 때, 플라즈마 중심부의 고온 입자 및 에너지를 방출하는 ELM이 플라즈마의 경계부분에서 발생하게 되고 플라즈마와 처음 접촉하게 되는 토카막 용기 내부 첫번째 벽 부분과 디버터를 손상시킨다. 또한, 밀도의 급격한 변화를 일으켜 밀리미터파 간섭계 진단에 악영향을 미친다. 한편, 플라즈마 밀도에 대한 되먹임 제어의 관점에서 볼 때, 가장자리 운반 장벽 (ETB)이 생겨나 가스를 불어넣는 방식만으로는 플라즈마에 연료가 주입될 수 없고, 실시간 플라즈마 밀도의 진단 값도 ELM이 터져 나오는 동안의 밀도 변화에 밀리미터파 간섭계가 정상적으로 반응하지 않아 밀도의 진단 값이 비정상적인 값으로 관측된다. 이러한 문제를 제어하기 위해, 기계 학습 기법을 사용하여 오프라인 및 실시간에서 L-H 전이와 연관된 패턴들을 분류하는 두 가지 알고리즘들이 개발되었다. 약한 인공지능 단계에서는 어떤 현상을 인식하고 그것을 분류할 수 있는 능력을 인공지능이 학습하기 위해서 그 물리적인 현상을 잘 이해한 전문가의 지도가 필요하다. 전문가는 또한 기계가 작동하는 환경적인 요소들을 고려하여 기계 학습의 방향을 고안해야한다. L-H 전이 현상에서 중요한 물리적인 특성은 난류 수송 억제로 인해 ETB가 형성된다는 것이다. 비록 난류 수송의 억제가 일어나는 메커니즘에 대해서는 다양한 이론들이 존재하지만, 그 결과적인 현상에는 분명하고 구분되는 패턴들이 존재하기 때문에 이를 이용하여 기계 학습을 시도할 수 있다. 특히 L-H 전이가 일어날 때 급격한 감소 패턴을 보여주는 중수소에 대한 발머 계열의 스펙트럼 D_α가 이 기계학습에서 가장 중요한 진단 데이터이다. 더불어서, 부족한 학습 데이터를 보충하기 위해, L-H 전이 후에 빠르게 상승하는 패턴을 보여주는 선평균전자밀도 (n_e ) ̅가 추가되었다. L-H 전이 관련 패턴의 분류 실현가능성 연구를 위한 첫 번째 알고리즘은 후처리 실험 데이터에 의해 훈련된 SVM방식을 통해 검증되었다. 이 검증 후에, L-H 전이와 최초의 ELM 분출을 실시간으로 감지하기 위해서 실시간 실험 데이터를 사용하여 장기적인 시퀀스 패턴을 저장하는 특별한 종류의 신경망인 LSTM 방법을 적용하였다. 나아가서, 분류기가 중간 상태를 검출할 수 있게 되면서, L-H 전이 물리와 관련된 다양한 중간 현상들을 자동으로 분류하고 수집할 수 있는 기반이 확립되었다. It has been widely accepted that H-mode operation is essential for experimentally meaningful performances of tokamak devices and for achieving mission for ITER. However, when the plasma is in H-mode, the edge localized mode (ELM) occurs at the plasma edge, which release core high-temperature particles and energy and damage the first walls and divertors. In addition, it causes a sudden change in density and has a bad influence on the millimeter wave interferometer diagnosis. Besides, in terms of plasma density feedback control, the fuel into the plasma cannot be absorbed by gas puffing only due to the edge transport barrier(ETB). In order to help to control these problems, two algorithms for classification of L-H transition and the first ELM burst patterns in off-line and real-time have been developed using machine learning method. In order for a machine to learn the ability to recognize and classify phenomena in the weak artificial intelligence phase, it is necessary to provide guidance from a human expert who understands the physical characteristics of the phenomena. The expert also considers the environmental factors in which the machine works, and designs the learning direction of the machine. An important physical characteristic in the L-H transition is the formation of ETB by the suppression of turbulence transport. Although there are various theories about the mechanisms of the suppression, machine learning can be attempted because there are clear and distinctive patterns in the resulting phenomenon. In particular, a deuterium spectral line of Balmer series D_α, which shows a rapid drop pattern when the L-H transition occurs, is the most important diagnostic data in this machine learning. In addition, a line-averaged electron density (n_e ) ̅, which shows the rising pattern after the L-H transition, is added to compensate the lack of learning data. The first algorithm for classification feasibility study of L-H transition related patterns has been verified through support vector machine (SVM) method trained by post processed experimental data. After the verification, in order to detect the L-H transition and the first ELM burst in real-time, a method of Long Short-Term Memory(LSTM) which is a special kind of neural network for storing long sequential patterns was applied using real-time (raw) experimental data. Furthermore, as the classifier is able to detect intermediate states, the basis for automatic classifying and gathering various intermediate phenomena associated with the L-H transition physics was established.

동축 비접촉 마그네틱 기어가 적용된 3kW급 전기추진기의 다양한 성능해석

박준태 과학기술연합대학원대학교(UST) 2021 국내석사

대기 중 온실가스 농도가 증가함에 따라 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 방법으로 선박 추진 장치의 추진시스템의 효율을 획기적으로 개선 시켜 연료소모량을 줄이는 방향에 많은 관심이 쏠리고 있다. 현재 선박의 다양한 추진 방식 중 가장 효율적인 추진 방식은 상반회전 프로펠러 추진방식이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 무인이동체의 핵심동력원으로 활용할 수 있는 3kW급 동축 비접촉 마그네틱 기어가 적용된 상반회전 프로펠러 전기추진기를 제안하였다. 전기추진기는 인버터, 전동기, 동축 비접촉 마그네틱 기어, 상반회전 프로펠러로 구성되어 있다. 일반적으로 적용되는 기계식 기어 방식에서 동축 비접촉 마그네틱 기어로 대체하는 연구를 수행하였다. 전기추진기의 핵심부품인 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어의 고출력화를 위해 영구자석에 할박 배열을 적용하였다. 다양한 성능해석((전)자계, 강제진동, 열유동, 회전체 등)을 통해 목표사양을 만족하는 전기추진기의 핵심부품인 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어의 통계적 최적화를 수행하였다. 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어의 최적설계를 위해 각 특성에 영향을 미치는 주요한 설계변수 및 수준을 선정하고 혼합직교배열표로 샘플링을 수행하였다. 최소의 실험횟수와 최적해를 고려하여 이산설계공간과 연속설계공간에서 다양한 최적설계 방법(벌칙함수, 가중치법, 반응표면법)을 비교분석하여 토크 및 토크리플을 다목적으로 하는 최적모델을 결정하였다. 전기추진기의 핵심부품(최적화된 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어, 인버터)과 전기추진기 시스템에 대한 다양한 성능해석을 수행하였다. 전기추진기 핵심부품의 최적모델 및 시스템에 대한 (전)자계 해석 및 열유동 해석을 통해 열적 안정성을 확인하였으며 (전)자계 해석 및 강제진동 해석, 회전체 해석 등을 통해 기계적 안정성을 확인하였다.

I. Hepatitis B Virus 복제 저해를 위한 약물설계 및 합성 II. Alkyne의 Trifluoromethylative Difunctionalization

한홍식 과학기술연합대학원대학교(UST) 2018 국내석사

Quenching Experiments of CrAl Coated Zircaloy-4 Cladding in Water Pool & Reflooding

이관근 과학기술연합대학원대학교(UST) 2021 국내박사

A transient pool and reflood quenching experiment was conducted to investigate the quenching performance of Cr-Al coated Zircaloy-4 (ATF) cladding(tube) in the simulated conditions of a loss-of-coolant accident (LOCA). The uncoated Zircaloy-4 (Zry-4) tube was also used in this quenching test for comparison with the ATF tube. ATF tube is a potential candidate for accident-tolerant fuel (ATF), which is developed to suppress hydrogen generation at high temperature in the event of an LOCA or beyond design basis accident. In the pool quenching experiment, ATF tube and Zry-4 tube were used under low and high subcooling conditions, i.e., 0 °C and 50 °C. The thicknesses of the Cr-Al coated layer were 20 and 50 μm. Each tube specimen was heated up to 600 °C in a furnace and quenched in a water pool at constant temperature. The pool quenching experiment showed the formation of film boiling and transition to nuclear boiling at the low subcooling temperature of 0 °C. No film boiling was observed at high subcooling at 50 °C. The effect of surface roughness was found to be insignificant for pool quenching performance. Rather, tube oxidation, particularly for the Zry-4 tubes, had a remarkable influence on the minimum film boiling temperature (MFBT) and quenching time. The ATF tube did not show the effect of surface oxidation as expected because of very low tube oxidation. There is no significant difference in the pool quenching performance of the Zry-4 tube and the ATF tube at the high subcooling temperature of 50 °C. Furthermore, the ATF tube tends to decrease the quenching time with higher MFBT as the coating thickness decreases. In the reflood quenching experiment, the test conditions are the initial tube temperature(600 ℃, 800 ℃, 950 ℃), the coolant subcooling(5 ℃, 15 ℃, 25 ℃, 50 ℃) and the reflood velocity(2 cm/s, 5 cm/s. 10 cm/s). The visualized flow image and quench curve were obtained by high-speed camera and tube temperature measurements in real time. The flow visualization shows the film boiling during early stage of quenching and the transition to nucleate boiling at minimum film boiling temperature. The ATF tube shows the flow pattern similar to the Zry-4 tube during reflood quenching. The quench curves and the speed of quench front show slightly faster cooling in the ATF tube than the Zry-4 tube. The phenomena for quenching of Zry-4 and ATF did not show any difference visually in the pool and reflood quenching. The surface of ATF is difficult to oxidize due to the oxidation resistance of Cr-Al during the pool and reflood quenching experiments. ATF-Reflood has slightly better quenching performance than Zry-4 and ATF-Reflood shows slightly higher speed of quench front than the Zry-4. The ATF is quite promising for accident-tolerant cladding to decrease the oxidation rate and to suppress hydrogen generation in the event of an LOCA in a nuclear power plant.

우라늄(IV) 산화물 나노입자의 형성과 콜로이드 안정성에 대한 연구 : 이온세기, 음이온, pH 및 카테콜 유도체 리간드의 영향

윤인학 과학기술연합대학원대학교(UST) 2021 국내석사

사용후핵연료의 초장기적인 심지층 처분안전성 평가를 위해서는 심지층 환경의 무산소 및 환원 조건에서 장반감기 방사성핵종의 물리화학적 거동에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 심지층 처분환경에서 방사성핵종의 이동 및 지연 특성을 결정하는 중요 요소 중의 하나인 콜로이드 또는 나노입자의 화학적 특성 변화를 살펴보기 위하여 우라늄(IV) 산화물 나노입자(U(IV)NPs)를 이용하였다. 지하수 특성을 정의하는 주요 변수인 이온세기(I), pH, 음이온의 종류 (염소이온 및 ClO4-) 및 유기 리간드(4-Nitrocatechol, nCA)의 농도를 변화시키면서, 콜로이드 안정성을 나타내는 지표인 제타전위 값과 입자 크기를 환원 조건에서 동적 광 산란 (dynamic light scattering, DLS) 분석을 통하여 측정하였다. 제조된 나노입자의 제타전위 값은 +38±3 mV, 입자 크기는 34±0.4 nm이며, 제조 후 2 개월 동안 제타전위 값은 +35 mV 이상, 입자 크기는 38 nm 이하로 안정하게 유지되었다. U(IV)NPs의 안정성에 미치는 이온세기 및 이온종의 영향에 대한 조사에서는 NaClO4에 비하여 NaCl을 사용할 때 전해질의 농도가 증가할수록 나노입자 크기가 현저하게 커지고 제타전위 값이 더 감소하였다. 대부분의 실험 조건에서 NaCl 매질보다는 NaClO4 매질에서의 U(IV)NPs가 더 안정하게 유지되었다. 이러한 결과는 주어진 전해질계에서 이온종이 이온세기에 비하여 U(IV)NPs의 안정성을 지배하는 더 중요한 요소라는 것을 의미한다. pH와 유기 리간드 농도 변화에 따른 U(IV)NPs의 안정성 변화에 대하여 연구하였다. nCA이 U(IV)NPs 표면에 효과적으로 흡착되는 것을 UV-Vis 흡수 스펙트럼 분석으로 확인하였다. 낮은 pH에서는 nCA의 농도가 증가함에 따라 입자 크기가 커지며 불안정해지는 경향을 보였으나, 높은 pH에서는 nCA의 흡착이 U(IV)NPs의 안정성을 증가시켰다. nCA의 U(IV)NPs에 대한 흡착 메커니즘은 Langmuir isotherm을 따르며, 이로부터 nCA은 U(IV)NPs 표면에 단분자층 흡착(monolayer adsorption)한다는 것을 알 수 있었다. IR 스펙트럼 분석을 통하여 관찰한 표면증강적외선흡수 (surface enhanced infrared absorption, SEIRA) 현상은 nCA이 U(IV)NPs의 표면에 강하게 상호작용함으로써 내권(inner-sphere)으로 결합한다는 직접적인 증거이다. 본 연구를 통해 얻은 심지층의 무산소 및 환원 환경의 지하수 조건에서 U(IV)NPs의 안정성 및 nCA과의 상호작용에 대한 이해는 U(IV)NPs와 지하수 유기물의 상호작용을 규명하는데 기반자료로 활용되어, 초장기적인 처분 안전성 평가 및 제고에 기여할 것이다. The assessment of the long-term disposal safety of spent nuclear fuel requires a thorough understanding of the behavior of long-lived nuclei under anaerobic and reducing conditions of the deep stratum. In this study, tetravalent uranium oxide nanoparticles (U(IV)NPs) were used to examine the behavior of colloids or nanoparticles, one of the important elements of nuclide transport in the deep stratum. Particle size and zeta potential value as indicators of colloidal stability were measured in aqueous reducing conditions by varying ionic strength(I), pH and the concentration of anions (Cl- & ClO4-) and organic ligand (4-Nitrocatechol, nCA), which are the key parameters defining the groundwater system. The properties of synthetic nanoparticles were investigated through dynamic light scattering (DLS) analysis; the zeta potential value was measured at +38±3 mV, and the particle size was 34±0.4 nm, which were maintained up to two months. The effects of ionic strength and anions on colloidal stability of U(IV)NPs were studied by controlling the concentration of NaCl or NaClO4. According to the DLS analysis, we confirmed that U(IV)NPs are more stable in NaClO4 medium than in NaCl medium because the sizes of U(IV)NPs in NaCl medium significantly increased as the ionic strength increases, and the zeta potential values gradually decreased as compared to the ones in NaClO4 medium. Thus, these results may indicate that the type of anions acts as a more critical factor in determining the stability of U(IV)NPs than the overall ionic strength in a given electrolyte system. In addition, the effects of pH and organic ligand on colloidal stability of U(IV)NPs were investigated. According to the UV-Vis spectra analysis, nCA is effectively adsorbed on the surface of U(IV)NPs. At low pH region, the presence of nCA tends to increase the particle size of U(IV)NPs. Therefore, U(IV)NPs become unstable as [nCA] increases, but at high pH region, the adsorption of nCA helps to increase the stability of U(IV)NPs. From the detailed adsorption experimental results between nCA and U(IV)NPs, we show the mechanism of adsorption follows Langmuir isotherm, which indirectly indicates that nCA is adsorbed on the surface of U(IV)NPs as a monolayer. Also, the surface enhanced infrared absorption (SEIRA) phenomena observed through IR spectra analysis can be seen as direct evidence that nCA is inner-sphere complexed by strongly interacted with U(IV)NPs. This study will help to assess the long-term disposal safety by understanding the behavior of U(IV)NPs and their interaction with nCA in anaerobic and reducing conditions of the deep stratum.

마산만 미세플라스틱 오염의 연중 변동 특성 연구: 담치 및 침강입자

정종욱 과학기술연합대학원대학교(UST) 2022 국내석사

미세플라스틱은 작은 크기와 높은 잔류성으로 인해 해양 생물들에게 섭식 되고 다양한 해양 매체에 분포하고 있다. 따라서 여러 해양 매체를 대상으로 미세플라스틱의 오염 수준과 특성을 이해하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 하지만 시간 변화에 따른 미세플라스틱의 오염 변동 정보는 제한적이다. 마산만은 과거 산업화로 인해 오염이 심각하며 이에 따라 마산만 내 다양한 오염물질에 대한 조사가 있었다. 최근에는 마산만 내 생물, 해수, 퇴적물에서 미세플라스틱이 높은 빈도로 검출되는 것이 확인되었다. 그러나 선행 연구들은 일회성 조사를 기반으로 하고 있어 연중 미세플라스틱 오염 변동 파악할 수 있는 자료는 부재하다. 본 연구에서는 마산만에서의 연중 미세플라스틱 오염 변동 특성을 파악하기 위해 마산만 내 서식하는 대표적인 오염 모니터링 지표종인 담치와 퇴적물 침강입자를 중심으로 연구를 진행하였다. 담치 체내 미세플라스틱 오염 현황과 연중 변동 특성을 파악하기 위해 담치(Mytilus galloprovincialis)를 2018년 2월부터 2019년 3월까지 월별로 마산만 돝섬 조간대에서 채집하였다. 담치 체내의 미세플라스틱 농도가 담치의 생물학적 변동성에 영향을 받는지 알아보기 위해 담치의 비만도(condition index, 패각의 부피 대비 체조직 무게)를 측정하였으며, 미세플라스틱 특성 비교를 위해 돝섬 주변 두 개 정점 내 표층 해수 100 L를 2018년 2월, 5월, 7월, 9월 그리고 12월에 채집하였다. 담치 체내 미세플라스틱 평균 농도는 0.36 ± 0.14 n/g(습중량), 1.24 ± 0.56 n/individual로 나타났다. 담치 체내 미세플라스틱 농도는 월별로 유의미한 차이는 없었으나 비만도가 감소할 때 농도가 감소하는 경향이 있었다. 이와 더불어 담치의 상태 변화를 반영한 담치 체내 미세플라스틱 농도와 해수 내 미세플라스틱 농도는 비만도가 낮았던 시기를 제외하고 유의미한 상관성이 확인되었다. 이 결과는 담치의 상태 변화가 미세플라스틱 체내 농도에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 담치를 이용한 미세플라스틱 오염 모니터링 시기를 선정할 때 담치의 생물학적인 변동성을 고려할 것을 제안한다. 아크릴레이트 폴리머(20%), 폴리프로필렌(18%), 폴리에틸렌(9%)이 주요 폴리머로 확인되었으며 해수보다 밀도가 높은 폴리머가 59%였다. 파편 형태의 미세플라스틱이 우세하게 검출되었으며(80%) 300 μm 미만의 미세플라스틱이 86%로 나타났다. 담치 체내 폴리머, 형태, 크기와 같은 미세플라스틱 특성은 해수 내 미세플라스틱 특성과 유사하였고, 이는 담치가 주변 해수의 미세플라스틱 오염 특성을 잘 반영함을 시사한다. 이는 미세플라스틱 모니터링을 위한 지표종으로서 담치의 유용성을 뒷받침할 수 있다. 본 연구결과를 통해 담치를 이용한 미세플라스틱 모니터링 시 담치의 생물학적 상태를 고려하고 300 ㎛ 미만의 작은 미세플라스틱과 고밀도 폴리머를 포함할 수 있는 조사, 분석이 진행될 필요가 있음을 확인하였다. 해양 환경 중 미세플라스틱은 수층에서 가라앉아 해저 바닥에 침전될 수 있다. 그러나 시간에 따른 침강하는 미세플라스틱의 양과 특성 변화에 대한 정보는 제한적이다. 본 연구에서는 미세플라스틱의 침강량과 침강특성을 이해하기 위해 침강입자 포집기(sediment trap)를 이용하여 2019년 4월부터 2020년 3월까지 마산만 중앙에 위치한 돝섬 인근 정점에서 연중 조사를 진행하였다. 또한 미세플라스틱의 특성을 비교하기 위해 동일 조사 정점 및 시기에 표층 퇴적물을 함께 채집하였다. 포집기 내 미세플라스틱의 평균 농도는 3.21 ± 1.51 n/g(건중량)이었고 평균 침강량(flux)은 67.76 ± 32.62 n/m2/day였다. 전반적으로 총 입자 침강량과 미세플라스틱 침강량 사이의 유의한 관계가 확인되었으며(p <0.05), 이는 퇴적 입자의 양이 많을 때 침강하는 미세플라스틱의 양이 증가할 수 있음을 시사한다. 미세플라스틱 침강량은 계절에 따라 차이가 있었다. 미세플라스틱 침강량은 봄–여름(4월–9월, 8월 제외)에 상대적으로 낮았으며, 이는 성층화로 인해 입자의 침강이 제한되었기 때문으로 사료된다. 가을–겨울(10월–2월)에 미세플라스틱 침강량의 증가는 만 내로 흐르는 저층 조류 세기의 증가와 부유퇴적물의 유입이 외해로부터 미세플라스틱을 만내로 공급하여 미세플라스틱 침강량이 증가한 것으로 보인다. 이러한 결과는 계절별 수력학적 요소(성층화, 조류, 부유퇴적물 유입)에 따라 마산만으로 유입된 미세플라스틱의 침강량에 차이가 발생할 수 있음을 시사한다. 관측자료를 기초로 연중 마산만 저층 퇴적층으로 퇴적되는 미세플라스틱 수는 약 1조 7000억 개로 산정되었다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 저밀도 폴리머가 침강입자와 표층 퇴적물 시료 모두에서 우세하였다. 이 결과는 생물부착(biofouling)이나 응집체(aggregate)와 같이 저밀도 폴리머의 침강을 야기하는 요인이 존재함을 시사한다. 우세하게 검출된 미세플라스틱의 모양과 크기는 파편(fragment), <300 ㎛이었다. 침강하는 미세플라스틱의 특성은 표층 퇴적물의 미세플라스틱과 유사하였고, 이는 침강하는 미세플라스틱의 특성이 해저 퇴적물에 반영되고 있음을 의미한다. 본 연구의 결과는 해저 퇴적물이 해양 환경에서 미세플라스틱의 축적소가 될 수 있음을 뒷받침한다. Microplastics (MPs) are ingested by various marine organisms and are distributed in various marine matrices due to their small size and high persistence. Therefore, research on MP contamination in various marine matrices has been conducted worldwide. However, information on the temporal variations in MP contamination is largely unknown. Masan Bay has been seriously polluted due to industrialization. Recently, high level of MPs was identified in various marine matrices in Masan Bay such as seawater, sediments, and biota. However, previous studies are based on grab sampling, thus temporal variation in MP contamination is largely unknown. This study was performed to understand the year-round variations in MP contamination in Masan Bay, focusing on mussels and sinking particles. Intra-annual MP monitoring was conducted using mussels (Mytilus galloprovincialis) to understand the temporal variations in the abundance and characteristics of MPs. The body condition of the mussels (e.g., shell size and tissue weight) and the MP levels and characteristics in the surrounding seawater was also measured. The average MP concentrations were 0.36 ± 0.14 n/g and 1.24 ± 0.56 n/individual. The MP concentration in mussels tended to decrease when the condition index (CI, ratio of tissue weight to total volume) of mussels decreased. A significant correlation was identified between the MP concentration in seawater and the MP concentration in mussels considering the body condition of mussels, except for the period when the CI was low (p <0.05), indicating that changes in body condition may affect the MP concentration in mussels. Overall, the differences in MP concentration in mussels for each sampling month were not significant (p >0.05). These results imply that restriction on the sampling period of mussels when monitoring MP contamination using mussels can be negligible, but it is better to consider the biological variability of mussels. Acrylate polymer (20%), polypropylene (PP) (18%), and polyethylene (PE) (9%) were the major polymers, and high-density polymers accounted for 59% of the total in mussels. The dominant shape and size of MPs were fragments (80%) and particles < 300 μm (86%), respectively. The MP characteristics, such as polymer type, shape, and size, in mussels were very similar to those in the surrounding seawater, implying that mussels reflect the contamination characteristics of MPs in the surrounding matrix well. The results of this study support the usefulness of mussels as an indicator species for MP monitoring. Based on the results, it is recommended that mussel sampling for MP monitoring should be conducted with consideration of the body condition of mussels (avoiding any period when CI is low). In addition, small MPs (< 300 μm) and high-density polymers should be included in the MP analysis. Marine MPs sink through the water column and deposit at the bottom of the seabed. However, information on the temporal variation in the abundance and characteristics of sinking MPs is limited. We conducted a year-round investigation of sinking MPs using a sediment trap in Masan Bay from April 2019 to March 2020. Concurrently, we collected seabed surface sediments to compare the characteristics of MPs in between sinking particles and suface sediments. The average MP concentration and flux in sediment trap samples was 3.21 ± 1.51 n/g (dry weight), and 67.76 ± 32.62 n/m2/day respectively. In general, a significant relationship between total particle flux and MP flux was identified (p <0.05). This suggests that the number of sinking MPs may be enhanced when the amount of sedimentary particles is high. The MP flux varied according to the season. MP flux was relatively low in spring–summer (April–September, except August), which is thought to be because sinking of particles was limited due to stratification. In fall-winter (October-February), the inflow of bottom tidal current and suspended sediments flowing into the bay may accompany MPs from the open sea, leading to an increase in MP flux. These results suggest that the sinking amount of MPs flowing into Masan Bay may differ depending on seasonal hydrodynamic factors (such as stratification, tidal current, and inflow of suspended sediment). Based on the monthly MP flux, it is estimated that 1.7 trillion MPs are deposited in Masan Bay annually. Low-density polymers, such as PE and PP, were predominantly detected in both the sediment trap and surface sediment samples. This result suggests that there are factors that can influence the sedimentation of low-density polymers such as biofouling or aggregation. Detected MPs were predominantly fragment and <300 μm in size. The characteristics of the sinking MPs were similar to those of the surface sediments which implies that the properties of the sinking MPs were well reflected in the bottom sediments. The results of this study support that seafloor can be the ultimate sink of MPs in the marine environment.

Design and Implementation of Blockchain-powered Research Data Sharing Storage for Transparent Provenance Management

송영헌 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내석사

With the development of science and technology and the introduction of Internet and computational science, modern scientific research has been moved to data-intensive research. However, these data have only been used to generate research results, such as papers, and have been difficult for other researchers to reproduce the study or develop into a new one. Research data is the result of research that occurred during the R&D process, which refers to the data required for verification of research results. Although previous research processes have been verified of ownership claims and research progress through the use of lab notebook and other solutions, in modern data- intensive research environments, these processes are often carried out using computers, from data acquisition to refining, analysis and results extraction. However, traditional solutions such as lab notebook is not suitable for sharing research data with other researchers. Research data, unlike general data, should be easily utilized among researchers and should ensure availability. Meanwhile, Blockchain is an architecture based on two characteristics: immutability and availability. Blockchain allows management of common distributed ledgers through multiple nodes while ensuring consistency of data. Blockchain is divided into public and private Blockchain according to network structure and the consensus algorithm. The use of public Blockchain for research data sharing has a positive effect in terms of the utilization of token economy among researchers, but from perspective of the overall research environment, it can affect the retention of research data led by changes in token prices. There is also a chance that researchers’ personal information could be leaked through public Blockchain. Thus, the goal in this study is to design and implement research data sharing storage using a private Blockchain solution, Hyperledger Fabric. In the proposed Blockchain-based research data storage, raw data are stored in the off-chain environment outside of Blockchain, and the hash of data are stored in a distributed ledger, thereby reducing the propagation time of large amounts of data within the distributed ledger. This enhances consistency of data and make transparent environment in the managing provenance of research data from the acquisition of raw data to the publication of paper. It also shows that through a state transition function within the Blockchain, called Chaincode or Smart Contract, an environment can be formed that allows researchers to share their research data to other researchers, that can provide a verification for data research process and motivate researchers to start a new research. 과학기술의 발전과 인터넷 및 계산과학의 도입으로 인하여 현대 과학기술 연구는 데이터 기반의 연구로 옮겨지게 되었다. 하지만 이들 데이터는 논문과 같은 연구 성과를 창출하는 데에만 사용되어 왔으며, 다른 연구자들에게 있어서 해당 연구를 재현하거나 새로운 연구로 발전하는 데에 있어서 어려움을 가져왔다. 연구 데이터는 연구개발 과정에서 발생한 연구 결과로서, 연구 성과에 대한 검증에 필요한 데이터를 말한다. 기존 연구 과정에서는 연구노트 등의 활용을 통하여 연구 결과에 대한 소유권 주장 및 연구 진행과정에 대한 검증을 거쳤지만, 현대의 데이터 기반 연구환경에서는 데이터의 취득부터 정제, 분석 및 결과 도출 단계에 이르기까지 전단계가 컴퓨터를 이용하여 진행되는 경우가 많다. 하지만 연구노트 및 버전 관리 시스템과 같은 형태의 기존 솔루션은 다른 연구자들과 연구 데이터를 공유하는 데에 있어서는 적합하지 않다. 연구 데이터는 일반 데이터와는 다르게 연구자들 사이에 쉽게 활용되어야 하며 가용성을 보장하여야 한다. 한편 블록체인(Blockchain) 은 불변성과 가용성이라는 두 가지 특성을 기반으로 한 아키텍처이다. 블록체인을 활용하면 데이터의 정합성을 확보하면서 여러 노드를 통해 공통된 분산 원장을 관리할 수 있다. 블록체인은 그 네트워크 구조에 따라서 크게 작업 증명 알고리듬(Proof of Work)을 활용하는 비트코인(Bitcoin) 및 이더리움(Ethereum) 등의 퍼블릭(Public) 블록체인과 PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance) 기반의 합의 알고리듬을 사용하는 하이퍼레저 패브릭(Hyperledger Fabric)과 텐더민트(Tendermint) 등의 프라이빗(Private) 블록체인 솔루션이 활용되고 있다. 연구 데이터 공유에 블록체인을 활용하는 것은 연구자들 사이의 토큰 경제의 활성 측면에서는 긍정적인 영향을 끼치지만, 전체적인 연구 환경의 관점에서 살펴보면 토큰 가격의 변화에 따라 연구 데이터 원장의 유지에 영향을 끼칠 수 있다. 또한 연구자들의 개인정보가 퍼블릭 블록체인을 통해 유출될 염려 또한 존재한다. 따라서 본 연구에서는, 프라이빗 블록체인 솔루션인 하이퍼레저 패브릭을 이용하여 연구 데이터 공유 저장소의 디자인 및 구현을 목표로 하였다. 제시된 블록체인 기반의 연구 데이터 저장소는 실제 연구 데이터는 블록체인 밖의 오프체인(Off-Chain) 환경에서 구성하고, 데이터의 해시를 분산 환경에 저장함으로써 분산 원장 내부의 대용량 데이터의 전파 시간을 줄이는 반면 데이터의 정합성 제고를 꾀하였으며, 원본 데이터 확보 단계부터 최종 출판에 이르기까지의 데이터 출처 관리를 통해 연구 데이터에 대한 관리 투명성을 확립하였다. 또한 체인코드(Chaincode) 또는 스마트 계약(Smart Contract)이라고 불리는 블록체인 내의 상태 전이 함수(State Transition Function)을 통하여 연구자의 연구 데이터를 다른 연구자들에게 공유할 수 있는 환경을 구성하여, 데이터의 분석 과정에 대한 검증 및 새로운 연구에 대한 동기를 부여할 수 있는 환경을 조성할 수 있음을 보인다.

공명형 흡음판의 흡음률 예측 및 흡음 성능 향상에 관한 연구

이웅용 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내박사

공명형 흡음판(Micro-perforated Panel, MPP)은 차세대 흡음재로써 글라스울이나 폴리에스테르 등과 같은 소재로 제작된 흡음재를 대체할 수 있다. 1mm 이하의 미세 유공을 가진 MPP는 공동과 결합하여 하나의 소음저감장치(Micro-perforated Panel Absorber, MPPA)가 된다. 이것은 다양한 소재로 제작 가능하여 다양한 분야에 적용할 수 있다. 또한, 설계 인자(유공 직경, 유공율, 판 두께, 공동 깊이)를 조절하여 설계자가 원하는 흡음 성능의 MPPA를 설계할 수 있다. MPPA의 잠재력은 무궁무진하나 두 가지 측면에서 개선이 필요하다. 첫 번째, MPP의 사양에 따라 흡음률 계산 결과는 측정 결과와 차이가 난다. 이것은 MPP 사양에 따라 end correction 계수가 변하기 때문이다. 정확한 흡음률 계산을 위해서 MPP 사양에 따라 변화하는 end correction 계수의 보정이 필요하다. 두 번째, 단층 공명형 흡음판은 일반 흡음재보다 흡음 대역이 좁다. 흡음 성능을 개선하기 위해서 공명형 흡음판을 다층으로 구성하거나 흡음 특성이 서로 다른 공명형 흡음판들을 병렬로 배치한다. 그러나 이 방법들은 설계/제작에서 제한 조건이 있을 시 설계자가 원하는 흡음 성능의 공명형 흡음판을 설계할 수 없다. 흡음률 계산의 정확도 향상을 위해 임피던스 튜브를 이용하여 다양한 사양의 시편의 end correction 계수를 측정하였다. 각 시편의 사양과 end correction 계수 사이의 관계를 분석하였다. 음향저항 end correction 계수는 유공 직경과 유공율이 감소하고 판 두께가 증가할 때 증가한다. 음향질량 end correction은 유공 직경과 판 두께가 증가하고 유공율이 감소할 때 증가한다. 이 관계를 바탕으로 새로운 end correction 계수 보정식을 유도하였다. 제안한 보정식을 검증하기 위해서 기존 보정계수를 적용한 흡음률 계산 결과를 측정 결과와 비교하였다. 각 구조(단층, 다층, 병렬 구조)에 따라 피크 주파수와 흡음 피크 레벨에 대한 측정 흡음률과의 상대 오차율을 계산하였다. 종합적으로 비교하였을 때 제안한 보정식을 적용한 계산 결과가 측정 결과와 잘 맞는다는 것을 확인하였다. 흡음 성능 향상을 위한 기존 방안들의 단점을 개선하기 위해서 다층 구조 MPPA를 병렬로 배치한 구조를 제시하였다. 또한, 제시된 구조에 대한 계산 방법도 제시하였다. 다층-병렬 MPPA의 흡음률 계산 시 본 논문에서 제안한 end correction 계수 보정식을 적용하였다. MPPA의 구조가 복잡해질수록 계산 오차가 증가하기 때문이다. 임피던스 튜브 실험을 통해서 다층-병렬 MPPA의 흡음 성능 향상과 계산 방법의 타당성을 확인하였다. 실제 제작 조건으로 MPPA를 설계 및 제작하여 잔향실 실험을 수행하였다. 흡음 성능이 향상된다는 것을 확인하였으나 계산 결과는 측정 결과와 잘 일치하지는 않았다. 이는 analytical model이 MPPA의 크기를 고려할 수 없기 때문이다. 다층-병렬 MPPA의 현장 적용 가능성을 확인하기 위해서 현장 실험을 수행했다. 약 500~5000Hz에서 발생하는 곡선부 스킬소음을 대상으로 다층-병렬 MPPA 방음벽을 설계하였다. 스킬소음 저감용 MPPA 방음벽 설치 전후 소음도를 비교하여 소음 저감도가 7.5~17.2dB(A)이며 특정 주파수 대역에서 소음 저감을 확인하였다. MPPA 방음벽의 소음 저감 효과를 확인하기 위해서 시뮬레이션을 수행하였다. 반사형 방음벽과의 소음저감도 비교를 통해서 500Hz 이상에서 나타나는 소음저감이 MPPA 방음벽에 의한 것을 확인하였다. Micro-perforated panel (MPP) is a next generation absorber that can replace an sound absorbing material made of materials such as glass wool and polyester etc. Micro-perforated panel absorber (MPPA) consists of a panel with micro-holes and cavity with rigid wall. It can be made from a variety of materials and can be applied in various fields. Designers can make MPPA with desired sound absorption performance by controlling design parameters (hole diameter, porosity, panel thickness, cavity depth). MPPA has high potential, but there are points to be improved. First, depending on MPP specification, there is the difference between calculation and measurement. This is because end correction coefficients change according to the specification of MPP. In order to improve the estimation of sound absorption coefficient of MPPA, it is necessary to correct coefficients of end correction considering the specification of MPP. Second, absorption bandwidth of single-layer MPP is narrower than general sound-absorbing materials. In order to improve absorption performance, MPPs are stacked in multi-layer structure or MPPs having different absorption characteristics are arranged in parallel. However, the design by the existing methods may not have good absorption performance when there are restriction conditions in the design and the manufacture. To enhance the estimation of absorption coefficient, end correction coefficients of specimens of MPP are measured using impedance tube. The relationship between measurements and the specification of specimens is analyzed. Coefficient of resistive end correction increases when the hole diameter and the porosity decrease and the panel thickness increases. Coefficient of reactive end correction increases as the hole diameter and panel thickness increase and the porosity decreases. Based on these relationships, new formula of end correction coefficients are derived. To verify the proposed formula of coefficients, calculations of absorption coefficient using other coefficients as well as new formula are compared with measurements. The relative errors between measurements and calculations for the peak frequency and the peak level are calculated according to structures (single-layer, multi-layer, parallel arrangement). When comparing with the relative errors comprehensively, it is confirmed that the calculation using the new formula are good agreement with measurement. To improve the disadvantages of the existing methods for enhancing the sound absorption performance, a structure in which multi-layered MPPAs are arranged in parallel is presented. A calculation method for the proposed structure is proposed. Absorption coefficient of multi-layered and parallel-arranged MPPA is calculated using new formula of end correction coefficients. The error of calculation increases if the structure of MPPA becomes complicated. Through impedance tube test, it confirms the improvement of the sound absorption performance and the validity of the calculation method for the proposed structure. Reverberation room test is carried out after MPPA is designed and fabricated as a real production condition. The sound absorption performance of the designed MPPA is improved. However, the calculations is not good agreement with the measurements. This is because the analytical model can not consider the size of MPPA. Field test is carried out to confirm the applicability of the proposed structure. The multilayered and parallel-arranged MPPA barrier is designed for the curve squeal noise generated at about 500~5000Hz. By comparing noise level for before and after installation of barrier, it is confirmed noise reduction level is 7.5~17.2 dB(A) and noise is reduced in certain frequency bands. Simulation is performed to confirm the noise reduction effect of MPPA barrier. Comparing with noise reduction between MPPA and reflection barrier, the noise reduction level of MPPA barrier at 500Hz or more is higher than that of reflection barrier. It is confirmed that it is due to MPPA.