손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다 - 카메라형 센서로 가상현실과 실제 공간을 일치시켜 여러 사용자간 확장공간 공유 및 상호작용 - 보급형 평면 입체 디스플레이 환경에서 입체가상물체를 실제 물체처럼 보고 맨손으로 조작 서로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람들이 하나의 가상공간에서 가상물체를 실제처럼 보고 손으로 직접 조작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 로봇연구단 박정민 박사팀은 가상공간과 실제 공간간의 차이가 5mm로 몰입감이 우수한 가상현실공간을 개발했다. 이는 세계 최고수준으로 알려진 기존 기술의 공간 차이가 10mm 였던 것을 대폭 개선한 것으로 한층 더 높은 몰임감으로 현실처럼 가상물체를 조작할 수 있게 되었다. 보편적으로 사용되는 평면 입체 디스플레이를 이용함으로써 다양한 가상현실공간의 응용에 손쉽게 사용할 수 있으므로 기술활용도가 매우 높을 것으로 기대되며, 가상물체를 실제 물체처럼 직접 손으로 조작(잡기, 들기, 움직이기 등)하는 기술은 훈련 및 교육 어플리케이션이나 의료용 시뮬레이터 등 다양한 응용분야에서 직관적인 사용자 인터페이스로 활용될 것으로 기대된다. 현실에 있는 사용자가 가상공간의 물체를 현실과 동일한 수준의 몰입감으로 조작하기 위해서는 현실공간과 가상공간을 통합하는 기술이 필요하다. 현실공간과 가상공간을 하나로 통합하는 기술은, 사용자가 영상을 보는 평면 입체 디스플레이와, 사용자간의 상호작용을 위하여 사용자움직임을 감지하는 카메라형 센서의 위치를 추정하는 기술이 핵심이다. 연구진은 거울을 이용해 디스플레이를 비추는 영상을 얻고 각각의 센서-디스플레이 쌍에 대해서 거울을 이용한 센서변수 및 자세를 추정해 현실공간과 가상공간이 일치하는 정합결과를 얻는 기술을 개발했다. 특수한 장치로 고안된 가상공간과 현실공간을 통합하는 예는 기존에 있었으나, 특정한 입출력장치로 구성된 시스템에서 제한된 공간에서만 사용할 수 있는 한계가 있었다. 때문에 가정과 산업현장에서 보편적으로 사용하기 어려웠다. 반면, 평면 입체 디스플레이와 RGBD 센서인 키넥트(Kinect)를 사용, 색상(color)과 깊이(depth)를 이용하는 본 기술은 가상공간 구성 비용이 저렴하고 보급형 출력장치인 3D TV와 같은 평면입체디스플레이를 사용하므로 손쉽게 몰입형 가상공간을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한, 현실처럼 가상공간에서 상호작용이 가능하고 몰입감이 뛰어나 산업용으로나, 일반 사용자용 및 다양한 새로운 서비스 창출이 가능할 것으로 예상된다. 개발한 기술은 네트워크를 통해 여러 사용자가 하나의 확장공간을 공유하여 같은 가상 물체와 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 연구진은 본 기술을 사용하면 가상 물체를 직접 접촉하고 조작하는 것이 필요한 응용의 전 분야에 활용이 가능하다고 밝혔다. 예를 들면 체험형 교육, 3D 관광 안내지도, 3D 인터랙티브 광고, 가상 실감 쇼핑몰, 가상 체험전자 전시나 안내물, 장치 매뉴얼 등 다양한 분야에서 새로운 서비스를 제공할 수 있다. 또한 가상현실에서의 콘텐츠를 제어하는데 마우스 대신 맨손으로 사용할 수 있어 더욱 실감나는 물체조작 환경 구축에 응용이 가능하다. 이 연구는 미래창조과학부 ‘현실과 가상의 통합을 위한 인체감응솔루션’ 글로벌 프런티어사업의 지원으로 개발되었으며 관련기술은 국내/외 특허가 등록(각 1건)되었고 국외출원(1건), 국내 특허 출원(1건)을 마쳤다. 연구책임자인 박정민 박사는“이미 널리 보급된 입출력 장치를 사용하므로 다양한 가상현실 관련 산업을 견인하는 기술파급효과가 클 것으로 예측되며, 네트워크를 통해 연결함으로써 멀리 떨어진 곳에 있는 사람이 실제처럼 만나서 함께 일하고 재미있게 놀이할 수 있는 새로운 공간이 마련되므로 신서비스 창출에 기여할 수 있을 것”이며, “손으로 직접 조작할 수 있는 기술 개발로, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 웨어러블 인터페이스에서 한걸음 나아가 가상공간환경의 다양한 어플리케이션에서 가상물체를 다루는데 손쉽게 사용할 수 있는 차세대 인터페이스로 자리매김할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다. <그림자료> 그림 1. 평면 입체 디스플레이와 카메라형 센서 간의 정합 가상공간을 나타내기 위해서는 출력장치가 필요하고 가상공간과 상호작용하기 위하여 사용자의 모습을 감지하는 입력장치가 필요하다. 본 개발에서는 출력장치로 평면입체 디스플레이를 사용하였으며, 가상공간의 범위(좌, 우)를 넓히기 위하여 예를 들면 위의 그림과 같이 좌측, 아래측으로 연결하여 구성하였다. 사용자의 모습을 감지하기 위한 센서로 깊이카메라(RGB-D)를 사용하였다. 두 종류의 입출력장치는 모두 사용자를 향하여 놓임으로 디스플레이가 제시하는 정보를 입력장치인 깊이카메라는 관측할 수 없다. 따라서 공간의 어느 부분에서 어떤 가상 물체를 조작하는지 알 수 없기때문에 디스플레이의 정보를 센서에서의 정보로 직접적인 변환하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 디스플레이와 다수의 센서를 통합된 하나의 좌표계에서 표시하는 기술이 필요하다. 그림 2. 다수 평면입체 디스플레이와 다수 카메라형 센서간의 정합 방법 개발 디스플레이의 영상을 센서가 볼 수 없으므로 거울을 이용하여 가시성을 확보하고 좌표계를 통합 표현하기 위하여 다수 센서-디스플레이 사이의 통합 비선형 최적화 방법을 고안하였다. 그림 3. 다수 센서와 다수 디스플레이를 이용한 몰입형 가상현실 다수의 디스플레이를 통해 출력되는 입체 가상공간과 다수의 센서로 감지되는 현실공간을 하나로 통합함으로써 다수 디스플레이를 통해 사용자에게 넓은 가상공간 영역에서 가상 물체를 현실과 같이 직접 조작할 수 있음을 보인다. 본 기술을 통해 현실공간과 가상공간이 잘 대응되어 있어서 공간 상에서 정밀한 제어가 필요한 젱가블럭놀이를 맨손으로 가상공간에서 실감나게 할 수 있음을 보인다.

손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다 - 카메라형 센서로 가상현실과 실제 공간을 일치시켜 여러 사용자간 확장공간 공유 및 상호작용 - 보급형 평면 입체 디스플레이 환경에서 입체가상물체를 실제 물체처럼 보고 맨손으로 조작 서로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람들이 하나의 가상공간에서 가상물체를 실제처럼 보고 손으로 직접 조작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 로봇연구단 박정민 박사팀은 가상공간과 실제 공간간의 차이가 5mm로 몰입감이 우수한 가상현실공간을 개발했다. 이는 세계 최고수준으로 알려진 기존 기술의 공간 차이가 10mm 였던 것을 대폭 개선한 것으로 한층 더 높은 몰임감으로 현실처럼 가상물체를 조작할 수 있게 되었다. 보편적으로 사용되는 평면 입체 디스플레이를 이용함으로써 다양한 가상현실공간의 응용에 손쉽게 사용할 수 있으므로 기술활용도가 매우 높을 것으로 기대되며, 가상물체를 실제 물체처럼 직접 손으로 조작(잡기, 들기, 움직이기 등)하는 기술은 훈련 및 교육 어플리케이션이나 의료용 시뮬레이터 등 다양한 응용분야에서 직관적인 사용자 인터페이스로 활용될 것으로 기대된다. 현실에 있는 사용자가 가상공간의 물체를 현실과 동일한 수준의 몰입감으로 조작하기 위해서는 현실공간과 가상공간을 통합하는 기술이 필요하다. 현실공간과 가상공간을 하나로 통합하는 기술은, 사용자가 영상을 보는 평면 입체 디스플레이와, 사용자간의 상호작용을 위하여 사용자움직임을 감지하는 카메라형 센서의 위치를 추정하는 기술이 핵심이다. 연구진은 거울을 이용해 디스플레이를 비추는 영상을 얻고 각각의 센서-디스플레이 쌍에 대해서 거울을 이용한 센서변수 및 자세를 추정해 현실공간과 가상공간이 일치하는 정합결과를 얻는 기술을 개발했다. 특수한 장치로 고안된 가상공간과 현실공간을 통합하는 예는 기존에 있었으나, 특정한 입출력장치로 구성된 시스템에서 제한된 공간에서만 사용할 수 있는 한계가 있었다. 때문에 가정과 산업현장에서 보편적으로 사용하기 어려웠다. 반면, 평면 입체 디스플레이와 RGBD 센서인 키넥트(Kinect)를 사용, 색상(color)과 깊이(depth)를 이용하는 본 기술은 가상공간 구성 비용이 저렴하고 보급형 출력장치인 3D TV와 같은 평면입체디스플레이를 사용하므로 손쉽게 몰입형 가상공간을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한, 현실처럼 가상공간에서 상호작용이 가능하고 몰입감이 뛰어나 산업용으로나, 일반 사용자용 및 다양한 새로운 서비스 창출이 가능할 것으로 예상된다. 개발한 기술은 네트워크를 통해 여러 사용자가 하나의 확장공간을 공유하여 같은 가상 물체와 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 연구진은 본 기술을 사용하면 가상 물체를 직접 접촉하고 조작하는 것이 필요한 응용의 전 분야에 활용이 가능하다고 밝혔다. 예를 들면 체험형 교육, 3D 관광 안내지도, 3D 인터랙티브 광고, 가상 실감 쇼핑몰, 가상 체험전자 전시나 안내물, 장치 매뉴얼 등 다양한 분야에서 새로운 서비스를 제공할 수 있다. 또한 가상현실에서의 콘텐츠를 제어하는데 마우스 대신 맨손으로 사용할 수 있어 더욱 실감나는 물체조작 환경 구축에 응용이 가능하다. 이 연구는 미래창조과학부 ‘현실과 가상의 통합을 위한 인체감응솔루션’ 글로벌 프런티어사업의 지원으로 개발되었으며 관련기술은 국내/외 특허가 등록(각 1건)되었고 국외출원(1건), 국내 특허 출원(1건)을 마쳤다. 연구책임자인 박정민 박사는“이미 널리 보급된 입출력 장치를 사용하므로 다양한 가상현실 관련 산업을 견인하는 기술파급효과가 클 것으로 예측되며, 네트워크를 통해 연결함으로써 멀리 떨어진 곳에 있는 사람이 실제처럼 만나서 함께 일하고 재미있게 놀이할 수 있는 새로운 공간이 마련되므로 신서비스 창출에 기여할 수 있을 것”이며, “손으로 직접 조작할 수 있는 기술 개발로, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 웨어러블 인터페이스에서 한걸음 나아가 가상공간환경의 다양한 어플리케이션에서 가상물체를 다루는데 손쉽게 사용할 수 있는 차세대 인터페이스로 자리매김할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다. <그림자료> 그림 1. 평면 입체 디스플레이와 카메라형 센서 간의 정합 가상공간을 나타내기 위해서는 출력장치가 필요하고 가상공간과 상호작용하기 위하여 사용자의 모습을 감지하는 입력장치가 필요하다. 본 개발에서는 출력장치로 평면입체 디스플레이를 사용하였으며, 가상공간의 범위(좌, 우)를 넓히기 위하여 예를 들면 위의 그림과 같이 좌측, 아래측으로 연결하여 구성하였다. 사용자의 모습을 감지하기 위한 센서로 깊이카메라(RGB-D)를 사용하였다. 두 종류의 입출력장치는 모두 사용자를 향하여 놓임으로 디스플레이가 제시하는 정보를 입력장치인 깊이카메라는 관측할 수 없다. 따라서 공간의 어느 부분에서 어떤 가상 물체를 조작하는지 알 수 없기때문에 디스플레이의 정보를 센서에서의 정보로 직접적인 변환하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 디스플레이와 다수의 센서를 통합된 하나의 좌표계에서 표시하는 기술이 필요하다. 그림 2. 다수 평면입체 디스플레이와 다수 카메라형 센서간의 정합 방법 개발 디스플레이의 영상을 센서가 볼 수 없으므로 거울을 이용하여 가시성을 확보하고 좌표계를 통합 표현하기 위하여 다수 센서-디스플레이 사이의 통합 비선형 최적화 방법을 고안하였다. 그림 3. 다수 센서와 다수 디스플레이를 이용한 몰입형 가상현실 다수의 디스플레이를 통해 출력되는 입체 가상공간과 다수의 센서로 감지되는 현실공간을 하나로 통합함으로써 다수 디스플레이를 통해 사용자에게 넓은 가상공간 영역에서 가상 물체를 현실과 같이 직접 조작할 수 있음을 보인다. 본 기술을 통해 현실공간과 가상공간이 잘 대응되어 있어서 공간 상에서 정밀한 제어가 필요한 젱가블럭놀이를 맨손으로 가상공간에서 실감나게 할 수 있음을 보인다.

손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다 - 카메라형 센서로 가상현실과 실제 공간을 일치시켜 여러 사용자간 확장공간 공유 및 상호작용 - 보급형 평면 입체 디스플레이 환경에서 입체가상물체를 실제 물체처럼 보고 맨손으로 조작 서로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람들이 하나의 가상공간에서 가상물체를 실제처럼 보고 손으로 직접 조작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 로봇연구단 박정민 박사팀은 가상공간과 실제 공간간의 차이가 5mm로 몰입감이 우수한 가상현실공간을 개발했다. 이는 세계 최고수준으로 알려진 기존 기술의 공간 차이가 10mm 였던 것을 대폭 개선한 것으로 한층 더 높은 몰임감으로 현실처럼 가상물체를 조작할 수 있게 되었다. 보편적으로 사용되는 평면 입체 디스플레이를 이용함으로써 다양한 가상현실공간의 응용에 손쉽게 사용할 수 있으므로 기술활용도가 매우 높을 것으로 기대되며, 가상물체를 실제 물체처럼 직접 손으로 조작(잡기, 들기, 움직이기 등)하는 기술은 훈련 및 교육 어플리케이션이나 의료용 시뮬레이터 등 다양한 응용분야에서 직관적인 사용자 인터페이스로 활용될 것으로 기대된다. 현실에 있는 사용자가 가상공간의 물체를 현실과 동일한 수준의 몰입감으로 조작하기 위해서는 현실공간과 가상공간을 통합하는 기술이 필요하다. 현실공간과 가상공간을 하나로 통합하는 기술은, 사용자가 영상을 보는 평면 입체 디스플레이와, 사용자간의 상호작용을 위하여 사용자움직임을 감지하는 카메라형 센서의 위치를 추정하는 기술이 핵심이다. 연구진은 거울을 이용해 디스플레이를 비추는 영상을 얻고 각각의 센서-디스플레이 쌍에 대해서 거울을 이용한 센서변수 및 자세를 추정해 현실공간과 가상공간이 일치하는 정합결과를 얻는 기술을 개발했다. 특수한 장치로 고안된 가상공간과 현실공간을 통합하는 예는 기존에 있었으나, 특정한 입출력장치로 구성된 시스템에서 제한된 공간에서만 사용할 수 있는 한계가 있었다. 때문에 가정과 산업현장에서 보편적으로 사용하기 어려웠다. 반면, 평면 입체 디스플레이와 RGBD 센서인 키넥트(Kinect)를 사용, 색상(color)과 깊이(depth)를 이용하는 본 기술은 가상공간 구성 비용이 저렴하고 보급형 출력장치인 3D TV와 같은 평면입체디스플레이를 사용하므로 손쉽게 몰입형 가상공간을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한, 현실처럼 가상공간에서 상호작용이 가능하고 몰입감이 뛰어나 산업용으로나, 일반 사용자용 및 다양한 새로운 서비스 창출이 가능할 것으로 예상된다. 개발한 기술은 네트워크를 통해 여러 사용자가 하나의 확장공간을 공유하여 같은 가상 물체와 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 연구진은 본 기술을 사용하면 가상 물체를 직접 접촉하고 조작하는 것이 필요한 응용의 전 분야에 활용이 가능하다고 밝혔다. 예를 들면 체험형 교육, 3D 관광 안내지도, 3D 인터랙티브 광고, 가상 실감 쇼핑몰, 가상 체험전자 전시나 안내물, 장치 매뉴얼 등 다양한 분야에서 새로운 서비스를 제공할 수 있다. 또한 가상현실에서의 콘텐츠를 제어하는데 마우스 대신 맨손으로 사용할 수 있어 더욱 실감나는 물체조작 환경 구축에 응용이 가능하다. 이 연구는 미래창조과학부 ‘현실과 가상의 통합을 위한 인체감응솔루션’ 글로벌 프런티어사업의 지원으로 개발되었으며 관련기술은 국내/외 특허가 등록(각 1건)되었고 국외출원(1건), 국내 특허 출원(1건)을 마쳤다. 연구책임자인 박정민 박사는“이미 널리 보급된 입출력 장치를 사용하므로 다양한 가상현실 관련 산업을 견인하는 기술파급효과가 클 것으로 예측되며, 네트워크를 통해 연결함으로써 멀리 떨어진 곳에 있는 사람이 실제처럼 만나서 함께 일하고 재미있게 놀이할 수 있는 새로운 공간이 마련되므로 신서비스 창출에 기여할 수 있을 것”이며, “손으로 직접 조작할 수 있는 기술 개발로, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 웨어러블 인터페이스에서 한걸음 나아가 가상공간환경의 다양한 어플리케이션에서 가상물체를 다루는데 손쉽게 사용할 수 있는 차세대 인터페이스로 자리매김할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다. <그림자료> 그림 1. 평면 입체 디스플레이와 카메라형 센서 간의 정합 가상공간을 나타내기 위해서는 출력장치가 필요하고 가상공간과 상호작용하기 위하여 사용자의 모습을 감지하는 입력장치가 필요하다. 본 개발에서는 출력장치로 평면입체 디스플레이를 사용하였으며, 가상공간의 범위(좌, 우)를 넓히기 위하여 예를 들면 위의 그림과 같이 좌측, 아래측으로 연결하여 구성하였다. 사용자의 모습을 감지하기 위한 센서로 깊이카메라(RGB-D)를 사용하였다. 두 종류의 입출력장치는 모두 사용자를 향하여 놓임으로 디스플레이가 제시하는 정보를 입력장치인 깊이카메라는 관측할 수 없다. 따라서 공간의 어느 부분에서 어떤 가상 물체를 조작하는지 알 수 없기때문에 디스플레이의 정보를 센서에서의 정보로 직접적인 변환하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 디스플레이와 다수의 센서를 통합된 하나의 좌표계에서 표시하는 기술이 필요하다. 그림 2. 다수 평면입체 디스플레이와 다수 카메라형 센서간의 정합 방법 개발 디스플레이의 영상을 센서가 볼 수 없으므로 거울을 이용하여 가시성을 확보하고 좌표계를 통합 표현하기 위하여 다수 센서-디스플레이 사이의 통합 비선형 최적화 방법을 고안하였다. 그림 3. 다수 센서와 다수 디스플레이를 이용한 몰입형 가상현실 다수의 디스플레이를 통해 출력되는 입체 가상공간과 다수의 센서로 감지되는 현실공간을 하나로 통합함으로써 다수 디스플레이를 통해 사용자에게 넓은 가상공간 영역에서 가상 물체를 현실과 같이 직접 조작할 수 있음을 보인다. 본 기술을 통해 현실공간과 가상공간이 잘 대응되어 있어서 공간 상에서 정밀한 제어가 필요한 젱가블럭놀이를 맨손으로 가상공간에서 실감나게 할 수 있음을 보인다.

손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다 - 카메라형 센서로 가상현실과 실제 공간을 일치시켜 여러 사용자간 확장공간 공유 및 상호작용 - 보급형 평면 입체 디스플레이 환경에서 입체가상물체를 실제 물체처럼 보고 맨손으로 조작 서로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람들이 하나의 가상공간에서 가상물체를 실제처럼 보고 손으로 직접 조작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 로봇연구단 박정민 박사팀은 가상공간과 실제 공간간의 차이가 5mm로 몰입감이 우수한 가상현실공간을 개발했다. 이는 세계 최고수준으로 알려진 기존 기술의 공간 차이가 10mm 였던 것을 대폭 개선한 것으로 한층 더 높은 몰임감으로 현실처럼 가상물체를 조작할 수 있게 되었다. 보편적으로 사용되는 평면 입체 디스플레이를 이용함으로써 다양한 가상현실공간의 응용에 손쉽게 사용할 수 있으므로 기술활용도가 매우 높을 것으로 기대되며, 가상물체를 실제 물체처럼 직접 손으로 조작(잡기, 들기, 움직이기 등)하는 기술은 훈련 및 교육 어플리케이션이나 의료용 시뮬레이터 등 다양한 응용분야에서 직관적인 사용자 인터페이스로 활용될 것으로 기대된다. 현실에 있는 사용자가 가상공간의 물체를 현실과 동일한 수준의 몰입감으로 조작하기 위해서는 현실공간과 가상공간을 통합하는 기술이 필요하다. 현실공간과 가상공간을 하나로 통합하는 기술은, 사용자가 영상을 보는 평면 입체 디스플레이와, 사용자간의 상호작용을 위하여 사용자움직임을 감지하는 카메라형 센서의 위치를 추정하는 기술이 핵심이다. 연구진은 거울을 이용해 디스플레이를 비추는 영상을 얻고 각각의 센서-디스플레이 쌍에 대해서 거울을 이용한 센서변수 및 자세를 추정해 현실공간과 가상공간이 일치하는 정합결과를 얻는 기술을 개발했다. 특수한 장치로 고안된 가상공간과 현실공간을 통합하는 예는 기존에 있었으나, 특정한 입출력장치로 구성된 시스템에서 제한된 공간에서만 사용할 수 있는 한계가 있었다. 때문에 가정과 산업현장에서 보편적으로 사용하기 어려웠다. 반면, 평면 입체 디스플레이와 RGBD 센서인 키넥트(Kinect)를 사용, 색상(color)과 깊이(depth)를 이용하는 본 기술은 가상공간 구성 비용이 저렴하고 보급형 출력장치인 3D TV와 같은 평면입체디스플레이를 사용하므로 손쉽게 몰입형 가상공간을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한, 현실처럼 가상공간에서 상호작용이 가능하고 몰입감이 뛰어나 산업용으로나, 일반 사용자용 및 다양한 새로운 서비스 창출이 가능할 것으로 예상된다. 개발한 기술은 네트워크를 통해 여러 사용자가 하나의 확장공간을 공유하여 같은 가상 물체와 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 연구진은 본 기술을 사용하면 가상 물체를 직접 접촉하고 조작하는 것이 필요한 응용의 전 분야에 활용이 가능하다고 밝혔다. 예를 들면 체험형 교육, 3D 관광 안내지도, 3D 인터랙티브 광고, 가상 실감 쇼핑몰, 가상 체험전자 전시나 안내물, 장치 매뉴얼 등 다양한 분야에서 새로운 서비스를 제공할 수 있다. 또한 가상현실에서의 콘텐츠를 제어하는데 마우스 대신 맨손으로 사용할 수 있어 더욱 실감나는 물체조작 환경 구축에 응용이 가능하다. 이 연구는 미래창조과학부 ‘현실과 가상의 통합을 위한 인체감응솔루션’ 글로벌 프런티어사업의 지원으로 개발되었으며 관련기술은 국내/외 특허가 등록(각 1건)되었고 국외출원(1건), 국내 특허 출원(1건)을 마쳤다. 연구책임자인 박정민 박사는“이미 널리 보급된 입출력 장치를 사용하므로 다양한 가상현실 관련 산업을 견인하는 기술파급효과가 클 것으로 예측되며, 네트워크를 통해 연결함으로써 멀리 떨어진 곳에 있는 사람이 실제처럼 만나서 함께 일하고 재미있게 놀이할 수 있는 새로운 공간이 마련되므로 신서비스 창출에 기여할 수 있을 것”이며, “손으로 직접 조작할 수 있는 기술 개발로, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 웨어러블 인터페이스에서 한걸음 나아가 가상공간환경의 다양한 어플리케이션에서 가상물체를 다루는데 손쉽게 사용할 수 있는 차세대 인터페이스로 자리매김할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다. <그림자료> 그림 1. 평면 입체 디스플레이와 카메라형 센서 간의 정합 가상공간을 나타내기 위해서는 출력장치가 필요하고 가상공간과 상호작용하기 위하여 사용자의 모습을 감지하는 입력장치가 필요하다. 본 개발에서는 출력장치로 평면입체 디스플레이를 사용하였으며, 가상공간의 범위(좌, 우)를 넓히기 위하여 예를 들면 위의 그림과 같이 좌측, 아래측으로 연결하여 구성하였다. 사용자의 모습을 감지하기 위한 센서로 깊이카메라(RGB-D)를 사용하였다. 두 종류의 입출력장치는 모두 사용자를 향하여 놓임으로 디스플레이가 제시하는 정보를 입력장치인 깊이카메라는 관측할 수 없다. 따라서 공간의 어느 부분에서 어떤 가상 물체를 조작하는지 알 수 없기때문에 디스플레이의 정보를 센서에서의 정보로 직접적인 변환하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 디스플레이와 다수의 센서를 통합된 하나의 좌표계에서 표시하는 기술이 필요하다. 그림 2. 다수 평면입체 디스플레이와 다수 카메라형 센서간의 정합 방법 개발 디스플레이의 영상을 센서가 볼 수 없으므로 거울을 이용하여 가시성을 확보하고 좌표계를 통합 표현하기 위하여 다수 센서-디스플레이 사이의 통합 비선형 최적화 방법을 고안하였다. 그림 3. 다수 센서와 다수 디스플레이를 이용한 몰입형 가상현실 다수의 디스플레이를 통해 출력되는 입체 가상공간과 다수의 센서로 감지되는 현실공간을 하나로 통합함으로써 다수 디스플레이를 통해 사용자에게 넓은 가상공간 영역에서 가상 물체를 현실과 같이 직접 조작할 수 있음을 보인다. 본 기술을 통해 현실공간과 가상공간이 잘 대응되어 있어서 공간 상에서 정밀한 제어가 필요한 젱가블럭놀이를 맨손으로 가상공간에서 실감나게 할 수 있음을 보인다.

손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다 - 카메라형 센서로 가상현실과 실제 공간을 일치시켜 여러 사용자간 확장공간 공유 및 상호작용 - 보급형 평면 입체 디스플레이 환경에서 입체가상물체를 실제 물체처럼 보고 맨손으로 조작 서로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람들이 하나의 가상공간에서 가상물체를 실제처럼 보고 손으로 직접 조작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 로봇연구단 박정민 박사팀은 가상공간과 실제 공간간의 차이가 5mm로 몰입감이 우수한 가상현실공간을 개발했다. 이는 세계 최고수준으로 알려진 기존 기술의 공간 차이가 10mm 였던 것을 대폭 개선한 것으로 한층 더 높은 몰임감으로 현실처럼 가상물체를 조작할 수 있게 되었다. 보편적으로 사용되는 평면 입체 디스플레이를 이용함으로써 다양한 가상현실공간의 응용에 손쉽게 사용할 수 있으므로 기술활용도가 매우 높을 것으로 기대되며, 가상물체를 실제 물체처럼 직접 손으로 조작(잡기, 들기, 움직이기 등)하는 기술은 훈련 및 교육 어플리케이션이나 의료용 시뮬레이터 등 다양한 응용분야에서 직관적인 사용자 인터페이스로 활용될 것으로 기대된다. 현실에 있는 사용자가 가상공간의 물체를 현실과 동일한 수준의 몰입감으로 조작하기 위해서는 현실공간과 가상공간을 통합하는 기술이 필요하다. 현실공간과 가상공간을 하나로 통합하는 기술은, 사용자가 영상을 보는 평면 입체 디스플레이와, 사용자간의 상호작용을 위하여 사용자움직임을 감지하는 카메라형 센서의 위치를 추정하는 기술이 핵심이다. 연구진은 거울을 이용해 디스플레이를 비추는 영상을 얻고 각각의 센서-디스플레이 쌍에 대해서 거울을 이용한 센서변수 및 자세를 추정해 현실공간과 가상공간이 일치하는 정합결과를 얻는 기술을 개발했다. 특수한 장치로 고안된 가상공간과 현실공간을 통합하는 예는 기존에 있었으나, 특정한 입출력장치로 구성된 시스템에서 제한된 공간에서만 사용할 수 있는 한계가 있었다. 때문에 가정과 산업현장에서 보편적으로 사용하기 어려웠다. 반면, 평면 입체 디스플레이와 RGBD 센서인 키넥트(Kinect)를 사용, 색상(color)과 깊이(depth)를 이용하는 본 기술은 가상공간 구성 비용이 저렴하고 보급형 출력장치인 3D TV와 같은 평면입체디스플레이를 사용하므로 손쉽게 몰입형 가상공간을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한, 현실처럼 가상공간에서 상호작용이 가능하고 몰입감이 뛰어나 산업용으로나, 일반 사용자용 및 다양한 새로운 서비스 창출이 가능할 것으로 예상된다. 개발한 기술은 네트워크를 통해 여러 사용자가 하나의 확장공간을 공유하여 같은 가상 물체와 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 연구진은 본 기술을 사용하면 가상 물체를 직접 접촉하고 조작하는 것이 필요한 응용의 전 분야에 활용이 가능하다고 밝혔다. 예를 들면 체험형 교육, 3D 관광 안내지도, 3D 인터랙티브 광고, 가상 실감 쇼핑몰, 가상 체험전자 전시나 안내물, 장치 매뉴얼 등 다양한 분야에서 새로운 서비스를 제공할 수 있다. 또한 가상현실에서의 콘텐츠를 제어하는데 마우스 대신 맨손으로 사용할 수 있어 더욱 실감나는 물체조작 환경 구축에 응용이 가능하다. 이 연구는 미래창조과학부 ‘현실과 가상의 통합을 위한 인체감응솔루션’ 글로벌 프런티어사업의 지원으로 개발되었으며 관련기술은 국내/외 특허가 등록(각 1건)되었고 국외출원(1건), 국내 특허 출원(1건)을 마쳤다. 연구책임자인 박정민 박사는“이미 널리 보급된 입출력 장치를 사용하므로 다양한 가상현실 관련 산업을 견인하는 기술파급효과가 클 것으로 예측되며, 네트워크를 통해 연결함으로써 멀리 떨어진 곳에 있는 사람이 실제처럼 만나서 함께 일하고 재미있게 놀이할 수 있는 새로운 공간이 마련되므로 신서비스 창출에 기여할 수 있을 것”이며, “손으로 직접 조작할 수 있는 기술 개발로, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 웨어러블 인터페이스에서 한걸음 나아가 가상공간환경의 다양한 어플리케이션에서 가상물체를 다루는데 손쉽게 사용할 수 있는 차세대 인터페이스로 자리매김할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다. <그림자료> 그림 1. 평면 입체 디스플레이와 카메라형 센서 간의 정합 가상공간을 나타내기 위해서는 출력장치가 필요하고 가상공간과 상호작용하기 위하여 사용자의 모습을 감지하는 입력장치가 필요하다. 본 개발에서는 출력장치로 평면입체 디스플레이를 사용하였으며, 가상공간의 범위(좌, 우)를 넓히기 위하여 예를 들면 위의 그림과 같이 좌측, 아래측으로 연결하여 구성하였다. 사용자의 모습을 감지하기 위한 센서로 깊이카메라(RGB-D)를 사용하였다. 두 종류의 입출력장치는 모두 사용자를 향하여 놓임으로 디스플레이가 제시하는 정보를 입력장치인 깊이카메라는 관측할 수 없다. 따라서 공간의 어느 부분에서 어떤 가상 물체를 조작하는지 알 수 없기때문에 디스플레이의 정보를 센서에서의 정보로 직접적인 변환하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 디스플레이와 다수의 센서를 통합된 하나의 좌표계에서 표시하는 기술이 필요하다. 그림 2. 다수 평면입체 디스플레이와 다수 카메라형 센서간의 정합 방법 개발 디스플레이의 영상을 센서가 볼 수 없으므로 거울을 이용하여 가시성을 확보하고 좌표계를 통합 표현하기 위하여 다수 센서-디스플레이 사이의 통합 비선형 최적화 방법을 고안하였다. 그림 3. 다수 센서와 다수 디스플레이를 이용한 몰입형 가상현실 다수의 디스플레이를 통해 출력되는 입체 가상공간과 다수의 센서로 감지되는 현실공간을 하나로 통합함으로써 다수 디스플레이를 통해 사용자에게 넓은 가상공간 영역에서 가상 물체를 현실과 같이 직접 조작할 수 있음을 보인다. 본 기술을 통해 현실공간과 가상공간이 잘 대응되어 있어서 공간 상에서 정밀한 제어가 필요한 젱가블럭놀이를 맨손으로 가상공간에서 실감나게 할 수 있음을 보인다.

미래를 준비하고 진로를 결정해야하는 고등학생들, 특히 과학에 관심과 열정을 가진 학생들에게 연구원들의 일상은 본인의 미래 모습이자, 꿈의 실현일 것이다. 이러한 고교생들에게 연구현장을 실제로 체험하고 학습할 수 있는 고교생 사이언스 캠프가 열렸다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 7월 20일(월)부터 성북구 하월곡동 본원에서 고교생 대상 명품 ‘사이언스 캠프’를 진행했다. 뇌과학, 생명과학, 물리, 로봇, 화학 등 5개 분야에서 분야별로 1주~2주간 진행되는 본 프로그램은 기존의 단순 견학형 과학체험에서 벗어나, 연구원들이 직접 강의를 하고, 학생들과 토론을 하며 직접 실험해보는 체험형 심화 학습활동으로 구성되었다. 이를 위하여 참가 학생들에게 실험 및 강의가 가능한 연구센터를 선별하고 센터의 연구자들이 직접 참가 학생들을 선발하고 프로그램을 계획, 운영하고 있다. 또한, 학생들의 수준을 고려한 개별 심화 교재를 개발하여, 캠프 참가 학생들의 학업증진에 도움이 될 수 있도록 하였다. 캠프가 끝나는 7월 31일(금)에는 5개 분야 학생들이 캠프 결과 및 소감발표를 통해 다른 분야에 대한 이해를 돕는 자리도 마련할 예정이다. 로봇 분야 캠프에 참가한 양정고등학교 옥재현 학생은 “다른 곳에서는 볼 수 없는 것들을 직접 보고 체험할 수 있는 게 가장 좋았다. 무엇보다, 이번캠프 참가를 계기로 대학교의 전공뿐만 세부진로를 정하는데에 큰 도움이 되었다” 라며 참가소감을 전하였다. 생명과학 분야 캠프를 진행한 환경복지연구단 류재천 책임연구원은 “요즘 학생들은 미래에 대해 막연한 두려움을 갖고 있는 것 같다. 과학지식을 전달하는 것 뿐아니라 학생의 멘토가 되기위해 노력했다. 학생들의 수준도 높을 뿐만 아니라 연구에 대한 열정도 강렬해, 캠프를 진행하는 연구자로서도 유익한 경험이였다”고 진행 소감을 밝혔다. KIST 이병권 원장은 “고등학생들이 캠프 참가를 통해 진로탐색기회를 얻고, 차세대 과학자로 성장할 수 있는 계기가 되기를 바라며, 앞으로도 과학을 쉽게 알릴 수 있는 다양한 행사를 만들어 국민과 소통하는 연구소가 되기위해 노력할 것”이라고 밝혔다.

[정보공개목록] 2015년 7월

나노구멍으로 세포 조절, 기능성 강화된 생체재료 제작 - KIST, 레이저공정을 이용한 나노표면으로 세포의 부착, 이동방향 조절 - 생체재료 표면에서의 세포 반응 규명, 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발에 적용 생체이식 소재연구는 몸속에서 안전하고, 생체에 안정적으로 이식이 가능해야하며, 주변 조직에 기능적으로 어떤 영향을 미치는 지가 중요한 이슈이다. 국제 연구진이 특수 레이저를 이용하여 생체이식 소재의 표면을 조절해 기능성을 강화할 수 있는 세포 조절 나노패터닝 기술을 개발했다. 기능성 생체재료는 인체에서 분해되는 금속이나 고분자, 약물 전달을 위한 고분자 코팅 등에 한정되어 사용할 수 있는 소재가 제한적이다. 생체 이식용으로 가장 많이 활용되고 있는 타이타늄과 같은 소재는 우수한 기계적 강도를 갖고 있지만, 인체 조직의 활성과는 관련이 없는 소재이다. 연구진이 개발한 레이저 패터닝 기술을 활용하면 다양한 생체재료 소재의 표면을 기능화하여, 인체에 활성을 가지지 않는 소재들도 생체기능성 소재로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 개발기술을 활용하면 생체재료의 부작용을 최소화하는 인공수정체와 혈관스텐트, 부러진 뼈를 고정할 뿐 아니라 뼈재생까지 촉진하는 임플란트 등의 개발이 한층 앞당겨질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 전호정 박사는 미국 버클리 캘리포니아 주립대(UC Berkeley) 기계공학과 코스타스 그리고로폴러스(Costas Grigoropoulos) 교수와 재료공학과 케빈 힐리(Kevin Healy) 교수팀과의 공동연구를 통해 펨토초 레이저를 이용하여 만든 1마이크로미터(백만분의 1미터) 미만의 나노구멍 패턴을 이용하여 재료 표면에서의 세포 성장과 운동을 조절하는 메커니즘을 규명하는데 성공했다고 밝혔다. 우리 몸을 구성하는 기본 단위인 세포는 혈액 속에 떠다니는 혈관 세포를 제외하고는 대부분 이웃하고 있는 세포나 세포주변을 감싸고 있는 조직의 표면에 부착하여 생존하거나 기능을 발현하게 된다. 임플란트와 같은 생체재료를 이식했을때도 마찬가지로 세포가 와서 붙게 된다. 이때 세포는 사람의 발과 비슷한 역할을 하는 초점 접착역(Focal Adhesion)의 형태를 통해 생체재료 표면에 부착되고 이를 통하여 외부의 물리, 화학적 신호를 받아들인다. 연구진은 생체 재료 표면에 나노구멍을 만들고 그 크기와 간격을 바꾸어 실험한 결과 나노구멍이 세포의 초점접착역에 영향을 미칠 수 있다는 점을 발견했다. 연구진은 단일 레이저 펄스의 폭이 100 펨토초(10-15초)인 레이저를 이용하여 직경이 500에서 1000 나노미터이면서 깊이가 500 나노미터인 나노구멍으로 이루어진 표면을 제작하였다. 나노구멍 간격을 조정하면 세포가 붙지 않는 표면을 만들거나, 세포를 특정한 장소로 몰아서 세포들이 띠모양, 원모양 등으로 그룹을 형성하도록 유도할 수 있다. 이러한 재료표면 제어를 통해 임플란트 표면에 세포가 붙지 않게 하거나 선택적으로 세포를 붙게 할 수 있다. 또한 패턴으로 인한 물리적 자극으로 임플란트 주변조직의 재생을 억제하거나 촉진시킬 수가 있다. 세포는 살아있는 생명체로서 주변 환경에 반응하여 스스로 살기에 더 적합한 환경 혹은 자신의 역할이 필요한 곳으로 이동하는 경향을 보인다. 세포는 일반적으로 초점접착역의 부착에 관여하는 단백질의 농도가 높고, 부착한 표면이 더 단단한 곳으로 이동한다고 알려져 있다. 연구진이 개발한 방법은 기존에 알려져 있는 세포 이동 조절인자 외에 레이저로 나노구멍을 만들어 세포의 이동 방향을 조절하는 기술로, 기존 기술과 달리 실제 인체에 삽입하는 임플란트 표면에 적용하기가 용이하여 기능성 임플란트의 상용화에 쉽게 적용될 수 있다. 또한, 연구진이 개발한 나노구멍 패터닝 기술은 펄스폭이 아주 작은 특수한 펨토초 레이저를 사용하기 때문에 고분자, 세라믹, 금속 표면에 모두 적용이 가능하며, 유해한 화학물질 사용없이 나노구멍의 크기를 조절해 인체에서 안정적이라는 장점이 있다. 인공수정체나 혈관스텐트와 같이 세포의 과다 증식으로 후속 질환이 발생하는 소재에 적용하여 세포 증식을 억제하는 기능성 생체재료를 만들 수 있고, 뼈 고정용 임플란트 표면에 활용하여 뼈 재생을 촉진시킬 수 있는 기능화된 의료기기 제작도 가능하다. 공동 제 1저자인 KIST 전호정 박사는 “개발한 기술로 다양한 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발이 가능할 것으로 보인다”며, “세포의 부착 특성은 세포의 분화 및 증식과도 연관이 높기 때문에 후속연구를 통해 줄기세포의 분화능력은 유지한 채, 세포의 양을 늘리는 배양 기술이 필요한 줄기세포 치료제 등의 생산에도 활용이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구는 미국 NIH(National Institute of Health, 국립보건원) 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 네이처 머티어리얼즈 (Nature Materials)에 7월 27(월)일자 온라인판에 게재되었다. *(논문명) Directing cell migration and organization via nanocrater-patterned cell-repellent interfaces - (공동 제1저자) (한국과학기술연구원) 전호정 박사, (UC Berkeley) 구상모 박사과정 - (공동 교신저자) (UC Berkeley) Costas Grigoropoulos 교수, (UC Berkeley) Kevin Healy 교수 <그림자료> <그림1> 펨토초 레이저 공정을 이용하여 만든 나노구멍. (a) 렌즈 선택에 따른 다양한 종횡비를 가지는 나노구멍을 보여주며, (b) 나노구멍 패턴을 보여주는 SEM 이미지 및 (c, d) 레이저의 펄스 에너지에 따른 나노구멍 크기를 보여준다. <그림 2> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 디자인과 (b-f) 패턴 위에 세포를 배양했을 때 처음에는 표면 전체에 붙는 듯 하지만, 배양 시작후 5시간 뒤부터는 세포가 이동성을 보이기 시작하여 15시간 이후에는 확연하게 세포가 붙은 영역과 붙지 않는 영역을 보여준다. 나노구멍 간격이 촘촘한 영역에 붙어있던 세포들은 간격이 넓은 영역으로 경향을 띄면서 이동하는 모습을 보인다. <그림 3> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 위에 붙어있는 세포의 모습 (b) 패턴 위에서 자라는 세포는 그림a의 가로축을 기준으로 45도 방향으로 이동하는 방향성을 보이지만, (c) 패턴이 없는 곳의 세포는 이동에 경향성을 보이지 않는다. (d) 패턴 위의 세포를 형광 염색해서 현미경으로 관찰하였을 때, (e) 나노구멍 위에 붙어있는 세포의 초점접착역은 안정화되지 못하고 나노구멍을 피해서 작은 크기로 형성되는 반면, (f) 패턴이 없는 곳의 세포는 길쭉한 형태의 안정된 초점접착역을 보여준다. <그림 4> 나노구멍 패턴을 이용하여 세포들을 (a) 띠 형태, 혹은 (b) 원형으로 패터닝 할 수 있다.

나노구멍으로 세포 조절, 기능성 강화된 생체재료 제작 - KIST, 레이저공정을 이용한 나노표면으로 세포의 부착, 이동방향 조절 - 생체재료 표면에서의 세포 반응 규명, 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발에 적용 생체이식 소재연구는 몸속에서 안전하고, 생체에 안정적으로 이식이 가능해야하며, 주변 조직에 기능적으로 어떤 영향을 미치는 지가 중요한 이슈이다. 국제 연구진이 특수 레이저를 이용하여 생체이식 소재의 표면을 조절해 기능성을 강화할 수 있는 세포 조절 나노패터닝 기술을 개발했다. 기능성 생체재료는 인체에서 분해되는 금속이나 고분자, 약물 전달을 위한 고분자 코팅 등에 한정되어 사용할 수 있는 소재가 제한적이다. 생체 이식용으로 가장 많이 활용되고 있는 타이타늄과 같은 소재는 우수한 기계적 강도를 갖고 있지만, 인체 조직의 활성과는 관련이 없는 소재이다. 연구진이 개발한 레이저 패터닝 기술을 활용하면 다양한 생체재료 소재의 표면을 기능화하여, 인체에 활성을 가지지 않는 소재들도 생체기능성 소재로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 개발기술을 활용하면 생체재료의 부작용을 최소화하는 인공수정체와 혈관스텐트, 부러진 뼈를 고정할 뿐 아니라 뼈재생까지 촉진하는 임플란트 등의 개발이 한층 앞당겨질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 전호정 박사는 미국 버클리 캘리포니아 주립대(UC Berkeley) 기계공학과 코스타스 그리고로폴러스(Costas Grigoropoulos) 교수와 재료공학과 케빈 힐리(Kevin Healy) 교수팀과의 공동연구를 통해 펨토초 레이저를 이용하여 만든 1마이크로미터(백만분의 1미터) 미만의 나노구멍 패턴을 이용하여 재료 표면에서의 세포 성장과 운동을 조절하는 메커니즘을 규명하는데 성공했다고 밝혔다. 우리 몸을 구성하는 기본 단위인 세포는 혈액 속에 떠다니는 혈관 세포를 제외하고는 대부분 이웃하고 있는 세포나 세포주변을 감싸고 있는 조직의 표면에 부착하여 생존하거나 기능을 발현하게 된다. 임플란트와 같은 생체재료를 이식했을때도 마찬가지로 세포가 와서 붙게 된다. 이때 세포는 사람의 발과 비슷한 역할을 하는 초점 접착역(Focal Adhesion)의 형태를 통해 생체재료 표면에 부착되고 이를 통하여 외부의 물리, 화학적 신호를 받아들인다. 연구진은 생체 재료 표면에 나노구멍을 만들고 그 크기와 간격을 바꾸어 실험한 결과 나노구멍이 세포의 초점접착역에 영향을 미칠 수 있다는 점을 발견했다. 연구진은 단일 레이저 펄스의 폭이 100 펨토초(10-15초)인 레이저를 이용하여 직경이 500에서 1000 나노미터이면서 깊이가 500 나노미터인 나노구멍으로 이루어진 표면을 제작하였다. 나노구멍 간격을 조정하면 세포가 붙지 않는 표면을 만들거나, 세포를 특정한 장소로 몰아서 세포들이 띠모양, 원모양 등으로 그룹을 형성하도록 유도할 수 있다. 이러한 재료표면 제어를 통해 임플란트 표면에 세포가 붙지 않게 하거나 선택적으로 세포를 붙게 할 수 있다. 또한 패턴으로 인한 물리적 자극으로 임플란트 주변조직의 재생을 억제하거나 촉진시킬 수가 있다. 세포는 살아있는 생명체로서 주변 환경에 반응하여 스스로 살기에 더 적합한 환경 혹은 자신의 역할이 필요한 곳으로 이동하는 경향을 보인다. 세포는 일반적으로 초점접착역의 부착에 관여하는 단백질의 농도가 높고, 부착한 표면이 더 단단한 곳으로 이동한다고 알려져 있다. 연구진이 개발한 방법은 기존에 알려져 있는 세포 이동 조절인자 외에 레이저로 나노구멍을 만들어 세포의 이동 방향을 조절하는 기술로, 기존 기술과 달리 실제 인체에 삽입하는 임플란트 표면에 적용하기가 용이하여 기능성 임플란트의 상용화에 쉽게 적용될 수 있다. 또한, 연구진이 개발한 나노구멍 패터닝 기술은 펄스폭이 아주 작은 특수한 펨토초 레이저를 사용하기 때문에 고분자, 세라믹, 금속 표면에 모두 적용이 가능하며, 유해한 화학물질 사용없이 나노구멍의 크기를 조절해 인체에서 안정적이라는 장점이 있다. 인공수정체나 혈관스텐트와 같이 세포의 과다 증식으로 후속 질환이 발생하는 소재에 적용하여 세포 증식을 억제하는 기능성 생체재료를 만들 수 있고, 뼈 고정용 임플란트 표면에 활용하여 뼈 재생을 촉진시킬 수 있는 기능화된 의료기기 제작도 가능하다. 공동 제 1저자인 KIST 전호정 박사는 “개발한 기술로 다양한 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발이 가능할 것으로 보인다”며, “세포의 부착 특성은 세포의 분화 및 증식과도 연관이 높기 때문에 후속연구를 통해 줄기세포의 분화능력은 유지한 채, 세포의 양을 늘리는 배양 기술이 필요한 줄기세포 치료제 등의 생산에도 활용이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구는 미국 NIH(National Institute of Health, 국립보건원) 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 네이처 머티어리얼즈 (Nature Materials)에 7월 27(월)일자 온라인판에 게재되었다. *(논문명) Directing cell migration and organization via nanocrater-patterned cell-repellent interfaces - (공동 제1저자) (한국과학기술연구원) 전호정 박사, (UC Berkeley) 구상모 박사과정 - (공동 교신저자) (UC Berkeley) Costas Grigoropoulos 교수, (UC Berkeley) Kevin Healy 교수 <그림자료> <그림1> 펨토초 레이저 공정을 이용하여 만든 나노구멍. (a) 렌즈 선택에 따른 다양한 종횡비를 가지는 나노구멍을 보여주며, (b) 나노구멍 패턴을 보여주는 SEM 이미지 및 (c, d) 레이저의 펄스 에너지에 따른 나노구멍 크기를 보여준다. <그림 2> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 디자인과 (b-f) 패턴 위에 세포를 배양했을 때 처음에는 표면 전체에 붙는 듯 하지만, 배양 시작후 5시간 뒤부터는 세포가 이동성을 보이기 시작하여 15시간 이후에는 확연하게 세포가 붙은 영역과 붙지 않는 영역을 보여준다. 나노구멍 간격이 촘촘한 영역에 붙어있던 세포들은 간격이 넓은 영역으로 경향을 띄면서 이동하는 모습을 보인다. <그림 3> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 위에 붙어있는 세포의 모습 (b) 패턴 위에서 자라는 세포는 그림a의 가로축을 기준으로 45도 방향으로 이동하는 방향성을 보이지만, (c) 패턴이 없는 곳의 세포는 이동에 경향성을 보이지 않는다. (d) 패턴 위의 세포를 형광 염색해서 현미경으로 관찰하였을 때, (e) 나노구멍 위에 붙어있는 세포의 초점접착역은 안정화되지 못하고 나노구멍을 피해서 작은 크기로 형성되는 반면, (f) 패턴이 없는 곳의 세포는 길쭉한 형태의 안정된 초점접착역을 보여준다. <그림 4> 나노구멍 패턴을 이용하여 세포들을 (a) 띠 형태, 혹은 (b) 원형으로 패터닝 할 수 있다.