Indium-Tin-Oxide 인쇄박막 제작과 위험유해물질 센서 응용에 관한 연구

이석환 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2016 국내석사

다양한 환경 요인이 전복의 산화스트레스 반응 및 세포사멸에 미치는 영향

김민주 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2023 국내석사

Recent industrialization has resulted in a surge in the use of fossil fuels, leading to a continuous increase in atmospheric CO2 concentration. Consequently, marine ecosystems are at risk of being impacted by alterations in water temperature, salinity, and acidification. Exposure to these environmental changes generates reactive oxygen species (ROS) in marine organisms, including powerful oxidizing agents such as superoxide anion radicals (O2−) and hydrogen peroxide (H2O2). Overproduction of ROS in the body results in oxidative stress, leading to a variety of forms of intracellular damage, such as the oxidation of nucleic acids, including DNA, and the promotion of cell death. To counteract the ROS generated in their bodies, organisms employ antioxidant enzymes, such as superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT). During this process, SOD converts O2− to H2O2, while CAT converts H2O2 into harmless water (H2O) and oxygen (O2) molecules. However, even with these antioxidant mechanisms in place, ROS that remain in the body can trigger lipid peroxidation (LPO) and DNA damage, potentially resulting in cell death. In our study, we simulated a complex environmental change scenario by assuming global warming and ocean acidification, both of which are ongoing and projected to persist in the future. Specifically, we exposed abalone Haliotis discus hannai, a marine gastropod, to various environmental stressors, including changes in water temperature, salinity, and pH (salinity + pH, water temperature + pH), and observed their physiological response, including antioxidant activity and cell death, as a means of mitigating oxidative stress. 1. Effect of temperature and pH on oxidative stress and apoptosis in disk abalone This study analyzed oxidative stress indicators (ROS and MDA), antioxidant enzymes (SOD and CAT), and apoptosis-related genes (caspase-3) in abalone, to investigate the impact of water temperature and pH changes on oxidative stress and apoptosis. Abalone were exposed to a range of water temperatures (15 ℃, 20 ℃, and 25 ℃) and pH levels (7.5 and 8.1) for five days, and in situ hybridization and terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling (TUNEL) assays were used to visually confirm the effects. Abalone exposed to low/high water temperatures, or a low pH exhibited increased levels of ROS and MDA, with a particularly significant increase observed when low/high water temperatures were combined and a low pH. SOD and CAT expression levels were similarly increased under these complex conditions. The expression of caspase-3, an apoptosis-related gene, was also elevated in the low/high water temperature and low pH conditions, with the highest expression observed when the high temperature was combined with the low pH. Additionally, high levels of apoptosis were detected in abalone exposed to high temperature and low pH conditions. Overall, this study demonstrates that abalone experience an increased expression of antioxidant enzymes and cell death in response to warming temperatures, alone, and in combination with acidification. Specifically, high temperatures promoted cell death by upregulating genes associated with oxidative stress and apoptosis, compared to low pH environments. 2. Effect of salinity and pH on oxidative stress and apoptosis in disk abalone In In this study, the effects of low salinity and low pH on abalone were investigated by exposing them to a complex environment of 26 PSU and pH 7.5 for 5 days. The degree of oxidative stress, antioxidant enzyme levels (ROS, SOD, and CAT), and osmotic pressure generated in the body of abalone were assessed. Changes in the expression levels of regulation-related genes (Na+/K+-ATPase) and the degree of cell death and DNA damage were also analyzed to determine the effects of salinity and pH changes in abalone. The results showed that the effects of the low salinity and low pH combined to induce significantly higher levels of H2O2 concentration in the hemolymph alongside the expressions of SOD, CAT, and caspase-7 mRNA in the hepatopancreas, compared to the effects of low salinity or low pH alone. As the exposure time elapsed, the degree of DNA damage increased along with caspase-7 mRNA expression. The gill NKA expression and activity, and hemolymph osmolarity were significantly decreased in the low-salinity experimental group. However, there was no significant difference in the NKA expression and activity in the pH 8.1 (control) and low pH experimental groups. These findings suggest that the combined effects of low salinity and low pH can cause uncontrollable levels of ROS-mediated oxidative stress, leading to cell death and DNA damage in abalone. 최근 산업화로 인한 화석 연료의 사용량 증가와 더불어 대기 중의 CO2 농도가 지속적으로 증가하고 있다. 따라서 해양생태계는 이러한 영향 등으로 인하여 수온 및 염분 변화 그리고 산성화 등의 환경 변화에 직접적으로 노출되어 있는 실정이다. 서식지의 환경 변화에 해양생물이 노출될 경우 체내에서는 superoxide anion radicals (O2−)과 hydrogen peroxide (H2O2)와 같은 강력한 산화력을 지닌 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)이 생성된다. 또한, ROS가 체내에서 과도하게 생성되면 DNA와 같은 핵산을 포함한 각종 세포 내 물질이 산화되거나 세포사멸이 촉진되는 등 다양한 형태로 산화스트레스가 유발된다. 생물체는 superoxide dismutase (SOD)와 catalase (CAT) 등과 같은 항산화효소를 이용하여 체내에서 생성된 ROS를 제거하려는 항산화 메커니즘이 작동되는데, 이 과정에서 SOD는 O2−를 H2O2로 전환시키고 CAT는 H2O2를 무독한 물(H2O)과 산소(O2) 분자로 전환시킨다. 그러나 이러한 항산화 메커니즘의 작동에도 불구하고 체내에서 미처 제거되지 못한 ROS는 지질과산화(lipid peroxidation; LPO) 및 DNA 손상을 유도하여 궁극적으로는 세포사멸로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 진행 중이거나 앞으로도 지속적으로 발생될 것으로 예상되는 지구 온난화 및 해양 산성화 현상을 가정하여 해양생태계에서 실제로 나타날 수 있는 복합 환경 변화 시나리오를 실험구로 설정하여 전복 Haliotis discus hannai을 노출시킨 후 산화스트레스 및 항산화 메커니즘 관련 실험을 진행하였다. 즉, 수온, 염분 및 pH 변화 등의 복합적인 환경(수온+pH, 염분+pH) 하에서 해양 복족류인 전복이 체내에서 발생된 산화스트레스를 제어하기 위한 항산화 반응 그리고 세포사멸을 포함한 다양한 생리학적 반응을 조사하였다. 1. 수온 및 pH가 전복의 산화스트레스와 세포사멸에 미치는 영향 본 연구는 전복을 다양한 수온(15℃, 20℃ 및 25℃) 및 pH(7.5, 8.1)의 복합 환경 조건에 5일간 노출시킨 후 전복 체내에서 발생되는 산화스트레스의 조절 메커니즘을 파악하기 위하여 진행되었다. 산화스트레스 지표로 알려져 있는 ROS와 MDA 그리고 항산화 효소(SOD, CAT) 및 세포사멸 관련 유전자(caspase-3)의 발현 수준을 분석하여 수온 및 pH 변화가 전복의 산화스트레스와 세포사멸에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 수온 및 pH 변화가 전복에 미치는 영향을 가시적으로 확인하기 위하여 in situ hybridization 및 Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling (TUNEL) assay를 통하여 분석하였다. 그 결과, 저∙고수온 또는 낮은 pH의 단일 조건 변화에 노출시킨 전복에서 ROS와 MDA의 증가가 관찰되었으며, 저∙고수온과 낮은 pH의 복합 실험구에 노출시킨 전복에서 특히 ROS와 MDA의 유의적인 증가가 관찰되었다. SOD 및 CAT의 경우에도 ROS 및 MDA의 변화와 유사하게 저∙고수온 및 낮은 pH의 복합 실험구에서 발현량이 유의적으로 증가하였다. 세포사멸 관련 유전자인 caspase-3는 저∙고수온 또는 낮은 pH의 단일 조건에서 발현량이 증가하였으나, 특히 고수온 및 낮은 pH의 복합 실험구에서 유의적으로 가장 높은 발현량을 보였다. 또한, 고수온 및 낮은 pH의 복합 실험구에서 가장 높은 수준의 세포사멸이 발생되었음을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 종합해 보면, 온난화 단독 조건(고수온)과 온난화와 산성화를 결합한 복합 환경 조건(고수온+낮은 pH) 모두에서 전복의 체내 항산화 효소의 발현량이 증가하였을 뿐만 아니라 세포사멸 또한 발생하였다. 특히, 고수온 환경은 낮은 pH 환경에 비하여 산화스트레스와 세포사멸 관련 유전자의 활성을 증가시켜 세포사멸을 촉진시킨 것으로 판단된다. 2. 염분 및 pH가 전복의 산화스트레스와 세포사멸에 미치는 영향 본 연구는 전복을 저염분(26 psu) 및 낮은 pH(7.5)의 복합 환경 조건에 5일간 노출시킨 후, 전복의 체내에서 발생되는 산화스트레스의 조절 메커니즘을 파악하기 위하여 진행되었다. ROS의 발생 정도는 H2O2 농도로 분석하였으며, 항산화 효소(SOD, CAT) 그리고 삼투압 조절 관련 유전자(Na+/K+-ATPase, NKA)의 발현량을 분석하여 염분 및 pH 변화가 전복의 산화스트레스 반응 및 삼투압 조절에 미치는 영향을 파악하였다. 또한, 염분 및 pH 변화로 인한 전복의 세포사멸 발생 정도를 확인하기 위하여 세포사멸 관련 유전자인 caspase-7 발현량을 조사하였고, comet assay 분석을 통해 DNA의 손상 정도를 확인하였다. 그 결과, 저염분 또는 낮은 pH의 단일 조건 실험구에 비하여 저염분과 낮은 pH의 복합 실험구에 노출시킨 전복의 혈림프에서는 H2O2 농도가 그리고 간췌장에서는 SOD, CAT 및 caspase-7 mRNA 발현이 유의적으로 높게 나타났다. 모든 실험구에서는 노출 시간이 경과함에 따라 caspase-7 mRNA의 발현과 더불어 DNA의 손상 정도가 증가하였다. 또한, 아가미 NKA의 발현과 활성 그리고 혈림프의 삼투압 농도는 저염분 실험구에서 유의하게 감소하였으나, pH 8.1(대조구)과 낮은 pH 실험구에서는 NKA의 발현과 활성이 유의적인 차이를 보이지 않았다. 본 연구 결과를 종합해 보면, 전복은 저염분 또는 낮은 pH의 단일 환경 조건에 노출되는 경우에 비하여 저염분과 낮은 pH의 복합 환경 조건에서 더 많은 스트레스가 유발되었음이 확인되었다. 최근 지속적으로 발생되고 있는 지구 온난화 및 해양 산성화 현상과 같이 다양하고 복합적인 환경 변화에 노출된 전복 체내에서는 제어할 수 없는 수준의 ROS 매개 산화스트레스가 발생될 수 있다. 따라서 전복은 체내에서 발생된 산화스트레스를 제거하기 위하여 항산화 메커니즘을 작동하지만, 그럼에도 불구하고 제거되지 못한 ROS는 세포사멸 및 DNA의 손상을 유발하여 전복에게 악영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 해양 복족류인 전복은 국내∙외에서 주요 양식 대상 종으로 알려져 있음에도 불구하고 전복의 산화스트레스 및 항산화 반응 관련 연구는 많이 진행되어 있지 않다. 따라서 본 연구 결과는 최근 지속적으로 발생하고 있는 지구 온난화 및 해양 산성화의 진행에 따라 현실적으로 나타날 수 있는 해양생태계의 환경 변화가 전복에게 미칠 수 있는 분자내분비학적 측면의 정보를 제공할 수 있다는 점에서 의미가 있을 것으로 기대된다.

선박용 강재의 도장면 제거를 위한 Q-스위칭 파이버 레이저 클리닝에 관한 기초 연구

김지언 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2020 국내석사

현재 조선해양 산업 현장에서 도장 전처리 작업은 그라인딩 및 쇼트 방식을 채택하고 있으나 동력 공구에 의한 작업자의 위험성 및 분진 비산에 의한 환경오염과 작업자의 건강문제가 지속적으로 야기되고 있다. 또한 현재의 전처리 방법으로는 협소구역의 접근이 난해하고 모서리 등의 개소와 복잡한 형상에 대한 작업이 어려우며 모재의 손상을 유발하고 표면의 균일한 클리닝이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 반면, 레이저 열원을 이용한 표면 클리닝 기술은 공정 중 환경오염 물질의 배출이 거의 없는 친환경 기술이다. 레이저의 우수한 제어 특성으로 인하여 표면의 오염층만을 선택적으로 제거할 수 있으며 국부적인 표면 클리닝이 가능하기 때문에 작업 시간이 단축되고 모재의 손상을 최소화 할 수 있다. 또한 비 접촉식 공정으로 다양한 표면 형상에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인하여 문화재 복원사업은 물론이며 금형, 전기·전자 및 반도체 산업에서 레이저 클리닝 기술은 이미 실용화 단계에 접어들었다. 또한 최근에는 대면적의 표면 전처리 공정에 레이저 클리닝을 도입하고자 하는 수요가 증가하면서 조선해양 산업, 항공 우주 산업 및 자동차 산업 등에 실용화가 기대되고 있다. 특히 조선해양 산업에서 레이저를 이용한 클리닝 기술 수준은 초기 단계이며 기존의 클리닝 기술을 대체하고자 다양한 연구가 진행중이다. 따라서 국내 기술수요에 적극 대처하고 향후 작업효율과 작업환경의 개선을 통해서 조선해양 산업 도장 전처리의 패러다임을 변화하기 위해 레이저 클리닝 기술을 확보하는 것이 시급하다. 본 연구에서는 평균 출력 100W의 Q-스위칭 파이버 레이저를 이용하여 강재 표면의 도장면 및 산화층을 제거하기 위해 레이저 클리닝 실험을 진행하였다. 기초실험으로써 실제 조선해양 산업에 적용되는 에폭시 및 숍프라이머 도장면과 국부적인 발청 수준인 얇은 산화층에 대해 스캔횟수, 펄스 중첩률, 패스 중첩률 및 에너지 밀도에 따른 레이저 클리닝을 실시하였다. 이와 같이 다양한 변수에서 얻어진 클리닝부의 특성을 분석하였으며, 레이저 클리닝 효율을 계산하여 최적의 조건을 도출하였다. 결과적으로 모재의 손상 및 열영향부 없는 우수한 클리닝 부를 얻을 수 있었다.

UUV–USV 협력 미션을 위한 광–음향 하이브리드 수중 무선 통신시스템 개발

강진일 국립한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2025 국내박사

In recent years, cooperative operations between unmanned underwater vehicles (UUVs) and unmanned surface vehicles (USVs) have gained significant attention in various maritime applications such as ocean surveillance, underwater infrastructure inspection, and autonomous exploration. These missions require a reliable and real-time communication infrastructure that can autonomously adapt to the highly dynamic and three-dimensional marine environment. Conventional underwater acoustic communication offers long-range capability but suffers from low data rates and high latency. On the other hand, underwater wireless optical communication (UWOC) enables high-speed and low-latency transmission but is limited by short range and the need for precise optical beam alignment. To address these limitations, this paper proposes AquaLink, a hybrid underwater wireless communication system that integrates optical and acoustic communication technologies. Based on this system, a cooperative UUV–USV communication architecture is designed and implemented, and its performance is evaluated through both tank and open-sea experiments. AquaLink consists of five core hardware modules: (1) optical modem, (2) acoustic modem, (3) underwater environmental sensing system, (4) optical beam tracking and alignment system, and (5) integrated control system. The optical modem incorporates a high-power LD array transmitter and a SiPM-based high-sensitivity receiver, while the acoustic modem utilizes a BPSK modulation scheme for robust long-range communication. The system performs real-time optical beam alignment using relative position information derived from USBL and AHRS data, combined with received optical power measurements. Environmental sensing modules monitor turbidity, illumination, and depth to predict channel conditions and determine the feasibility of optical communication. An FSM-based adaptive communication control algorithm dynamically switches between optical and acoustic modes by evaluating real-time channel quality metrics such as SNR, PER, and received power. Moreover, an asymmetric communication protocol is implemented, allowing the UUV to uplink sensor and video data at high speeds, while the USV transmits control and command data with high reliability. The performance of the AquaLink system is validated in two experimental settings. In a controlled tank environment, quantitative measurements were conducted to evaluate BER, optical alignment accuracy, and communication throughput under varying turbidity and range conditions. In open-sea field tests, cooperative communication scenarios involving both stationary and mobile UUV–USV configurations were performed to assess link stability, mode switching delay, and directional robustness. The proposed system demonstrated superior performance over single-mode systems, achieving a 92% packet success rate, 1.6-second average mode switching latency, and over 93% alignment stability, even during mobile operations. This study successfully implements a practical underwater hybrid communication architecture capable of adapting to diverse and challenging marine conditions. The proposed AquaLink platform is expected to serve as a foundational technology for future applications in autonomous maritime collaboration, persistent underwater exploration, naval surveillance, and ocean resource monitoring. 최근 해양 감시, 수중 구조물 검사, 자율 해양 탐사 등 다양한 응용 분야에서 수중무인로봇(UUV)과 무인수상선(USV) 간의 협력 운용이 활발히 연구되고 있다. 이러한 협력 미션은 수중과 수상 간의 실시간, 고신뢰성 통신 인프라를 전제로 하며, 특히 동적 환경 변화에 능동적으로 적응할 수 있는 통신 시스템의 구현이 핵심 과제로 부상하고 있다. 기존 수중 통신 기술 중 하나인 음향통신은 장거리 전송이 가능하다는 장점을 갖지만, 낮은 전송 속도와 높은 지연(latency)으로 인해 실시간성 확보에 한계가 있으며, 광통신은 고속 데이터 전송과 저지연 특성이 장점이지만 전송 거리의 제한과 광축 정렬의 민감성으로 인해 활용에 제약이 있다. 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 광통신과 음향통신의 장점을 융합한 광–음향 하이브리드 수중 무선통신 시스템인 AquaLink를 제안하고, 이를 기반으로 한 UUV–USV 협력 통신체계를 설계 및 구현하였으며, 수조 및 실해역에서의 성능 검증을 통해 그 실효성을 입증하였다. AquaLink는 광통신 모뎀, 음향통신 모뎀, 수중 환경 센서시스템, 광축 추적 및 정렬 시스템, 통합 제어시스템 등 5개의 핵심 하드웨어 모듈로 구성되며, 고출력 LD 송신기 및 SiPM 수신기를 활용한 광통신 시스템과, BPSK 기반 장거리 음향통신 모뎀을 하나의 플랫폼에 통합하였다. 본 시스템은 USBL 및 AHRS 기반의 상대 위치정보와 수신 광파워 정보를 융합하여 2축 또는 3축 광축 정렬을 실시간으로 수행하며, 탁도·조도·수심 측정값을 기반으로 링크 상태를 예측하고, 통신 가능성을 판단하여 광–음향 간 통신모드를 자율적으로 전환한다. 이를 위해 개발된 통신모드 전환 알고리즘은 FSM(Finite State Machine) 기반의 구조로 설계되었으며, 실시간 채널 품질(SNR, PER, 수신파워 등)을 종합적으로 평가하여 링크 유지 및 전환 여부를 결정한다. 또한, 플랫폼 간 비대칭 통신 특성을 반영하여 UUV는 영상 및 센서 데이터를 고속 업링크하고, USV는 명령 및 제어 신호를 저속이지만 안정적으로 전송할 수 있도록 비동기 구조를 구현하였다. AquaLink 시스템의 성능 검증은 실내 수조 환경에서의 정량 평가와 실해역 실험을 통해 이루어졌다. 수조 실험에서는 다양한 거리 및 탁도 조건에서 광통신 링크의 BER, 수신파워, 정렬 정밀도를 측정하였고, 해상 실험에서는 정박 및 이동 상태에서의 하이브리드 통신 운용 시나리오를 적용하여 통신 거리, 모드 전환 시간, 링크 유지율 등의 항목을 평가하였다. 실험 결과, 광–음향 하이브리드 시스템은 기존의 단일 모드 대비 높은 링크 안정성(92%), 짧은 전환 지연 시간(1.6초), 광축 정렬 유지율(93.5%)을 달성하였으며, 특히 이동 중에도 안정적인 광통신 링크 유지가 가능함을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 수중 환경의 가변성과 제한 조건을 고려한 실시간 적응형 통신 시스템을 실용적 수준에서 구현하였다는 데에 의의가 있으며, 향후 해양 자율 협력 시스템, 장기 수중 탐사, 해양 국방 감시 체계 등 다양한 응용 분야에서의 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

천리안 해양위성의 대기보정 및 대리교정 연구

안재현 한국해양대학교, 해양과학기술전문대학원 2017 국내박사

본 학위논문은 세계최초의 정지궤도 해색 위성인 천리안 해양 위성 (GOCI : Geostationary Ocean Color Imager)에 표준으로 사용되는 대기보정 이론에 대하여 기술하고 있다. 타 극궤도 해색위성들이 1~2일 주기로 한 장소를 방문하며 전 지구를 관측하는 것과 달리 천리안 해양위성은 한반도를 포함한 동북아해역을 0.5 km 공간해상도로 낮 시간 동안 1시간의 시간간격으로 관측하고 있으며 (하루 8회 관측) 가시광~근적외파장대 (412, 443, 490, 555, 660, 680, 745, 865 nm) 영역에서 관측한다. 대기상층 위성궤도에서 일반적인 맑은 해역을 대상으로 관측된 가시광~근적외파장대 신호 중 90%이상은 대기신호이며, 해수신호의 크기는 10% 미만을 차지한다. 대기신호의 크기가 해수신호의 크기보다 10배 이상 크기 때문에 1%의 대기신호 추정 오차는 10%이상의 해수 광 스펙트럼 추정오류를 일으킨다. 이런 이유로 위성을 통한 해색원격탐사 임무는 높은 대기보정 정밀도를 요구하고 있으며 대기보정의 개발이 해색원격탐사 알고리즘 개발 중 가장 핵심이 된다. 천리안 해양위성 표준 대기보정은 NASA가 해색원격탐사 임무를 위해 개발한 SeaWiFS 표준 대기보정에 이론적인 기반을 두고 있다. SeaWiFS 방법은 우선 두개의 근적외 파장대 관측결과와 복사전달시뮬레이션 결과(조견표)를 서로 비교하여 대기 중 에어로졸 입자의 종류 및 농도 최적값을 추정해 내며 이 추정결과를 바탕으로 모든 가시광 파장의 에어로졸 반사도 스펙트럼을 다시 조견표를 이용하여 계산한다. 천리안 해양위성의 대기보정도 유사하게 두 근적외파장대 에어로졸 반사도 상관관계를 이용하여 에어로졸 종류 및 농도를 계산하는데, 이 연구를 통하여 SeaWiFS 및 다른 유사 대기보정 방법들과 비교하여 정확도 뿐 아니라 계산 효율 또한 개선하였다. 추가적으로 SeaWiFS에 적용된 수증기 흡광 보정 모델을 천리안 해양위성의 분광특성에 맞게 수정하여 적용하였으며, 탁도가 높은 해역에서 대기보정 오차를 줄이는 방법도 천리안 해양위성 관측영역의 해수 광 특성 및 반사도 정보들을 이용하여 개발하였다. 초기버전의 천리안 해양위성 표준 대기보정의 검보정 결과 탁도가 높은 연안해역에서는 10% 내외의 만족할 만한 오차수준을 보여주었으나, 탁도가 낮은 해역에서는 50% 이상의 오차를 발생되었다. 이는 대리교정 수행의 부재가 주된 요인이며, 본 연구에서는 이를 보완하기 위해 SeaWiFS 표준 대리교정 프로세스에 기반을 두고 천리안 해양위성에 맞게 대리교정을 수행하였다. 이 대리교정 방법에서는 특정 해역의 에어로졸 광특성이 항상 해양성 에어로졸이라 가정하고 이를 바탕으로 근적외 파장대 위성 관측 조도를 시뮬레이션 하여 두 근적외 파장대를 먼저 상대교정 한다. 이후, 상대교정된 두 근적외 파장대를 이용하면 맑은 해역에서 복사전달시뮬레이션을 통하여 가시광 파장대 대기조도를 모의 할 수 있게 되고, 여기에 맑은 해역의 현장 광 측정 자료가 추가되면 가시광파장대 위성관측조도의 시뮬레이션이 가능하다. 이 가시광파장대 모의 결과와 실제 위성관측조도와 비교하면 가시광파장대 대리교정을 완료할 수 있다. 본 대리교정 결과 대리교정 상수가 최대 3.2% 바뀌었으며 (490 nm 밴드) 새 대리교정 상수 적용 시 맑은 해역 대기보정 정확도가 최대 50% 이상 상승하였다. 본 연구에서는 천리안해양위성 대기보정의 성능을 평가하기 위해서 대기보정 결과 원격반사도 (remote-sensing reflectance: Rrs)를 한국해양과학기술원 해양위성연구센터에서 2010년 이후로 한반도 주변 해역 현장조사를 통해 수집한 원격반사도 자료들과 비교검정 하였으며, 검정결과 76, 84, 88, 90, 81, 82%의 정확도를 보여주었다. 추가로 현장자료가 아닌 시뮬레이션 자료를 통해 천리안 해양위성 알고리즘 뿐 아니라 다른 해색원격탐사 임무를 위해 개발된 주요 대기보정 알고리즘들 구현하여 함께 비교검증 하였고, 본 비교검증에서도 천리안 해양위성 표준 대기보정이 다른 대기보정 방법들과 비교하여 가장 낮은 오차율을 보여주었으며, 특히 다중산란 효과가 큰 작은 입자크기의 에어로졸 모델에서 더 좋은 성능을 보여주었다. 본 연구결과는 이론적으로 SeaWiFS 등 비슷한 밴드 특성을 가진 타 해색위성의 대기보정방법으로도 적용이 가능하며, 천리안 해양위성 자료처리시스템 (GOCI data processing system: GDPS) 1.5버전에의 적용될 예정이다.

수조실험을 통한 해저지반 굴삭용 워터젯 장비의 성능평가에 관한 연구

나경원 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2016 국내석사

최근 해양에너지 수요 증가와 더불어 국가 간 정보 전달의 목적으로 매년 수천 km의 파이프라인 및 케이블이 해저면에 설치되고 있으며, 이는 시공시 육지보다 열악한 해양 환경에 놓이게 된다. 그러므로 다양한 해양외력 환경에 노출되어 있는 해저케이블 및 해저파이프라인의 안정성을 유지하기위해 해저지반을 굴삭하여 구조물을 매설하는 방식이 선호된다. 이때 해저지반 상태와 해상조건 등은 작업효율에 영향을 미치게 되며, 작업해역 또한 대수심으로 이동함에 따라 단시간에 효율적인 시공은 필수적이다. 본 연구는 해저지반 굴삭을 위해 ROV 트렌쳐에 장착되는 워터젯 굴삭기의 시공성능 추정에 관한 연구이다. 먼저 전산유체해석을 통해 노즐간의 거리와 노즐 분사각도를 고려하여 굴삭효율을 극대화할 수 있는 최적 노즐수량을 선정하여, 실제 운용중인 워터젯 굴삭장비에 적용시켜 1/6으로 축소 제작하였다. 실험은 다양한 파라미터를 적용하여 형태가 다른 워터젯 굴삭기와 최대 굴삭심도 및 최대 굴삭속도를 파악함으로써 효율적인 시공성능을갖는 워터젯 굴삭기를 도출하였다. 실험결과를 바탕으로 실제 ROV 트렌쳐에 장착되어 운용중인 워터젯 굴삭장비와 비교·분석함으로써 워터젯 장비의 효율성을 확인하였다.

A Study on the Development of Collision Prevention Algorithm for Small Vessels Preparing the Generic Technology for MASS

이명기 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2022 국내박사

본 연구의 목적은 자율운항선박의 기반기술을 마련하기 위한 소형 선박의 충돌 예방 알고리즘을 개발하고 개발된 알고리즘의 성능과 타당성을 검증하는 것이다. 효율적인 충돌 예방 알고리즘을 개발하기 위하여 두 선박간의 거리, DCPA (Distance at the Closest Point of Approach), TCPA (Time to the Closest Point of Approach)와 해상 교통 위험도 평가 모델인 PARK (Potential Assessment of Risk) model을 이용하였으며, WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) 통신을 이용하였다. 충돌 예방 알고리즘은 선박 감지, 위험 선박 식별, 지속적인 모니터링, 경보 발생의 4단계로 개발했다. 3마일 이내의 선박을 탐지하고 DCPA와 TCPA를 이용하여 위험 선박을 식별한다. 또한 PARK Model 위험도를 기반으로 지속적으로 모니터링하고 거리에 따라 4단계 경보 신호를 발생시킨다. 개발된 충돌 예방 알고리즘의 경보작동을 검증하기 위해 시뮬레이션 실험과 시나리오 기반의 실선 실험을 진행했다. 그 결과, 소형 선박이 위험한 상황으로 조우하는 경우에 개발된 알고리즘에 의하여 단계별 경보가 발생하고, 위험한 상황이 해제되면 경보도 해제되는 것을 확인했다. 또한 소형 선박의 침로 변화에 따라 DCPA, TCPA가 빈번하게 변화함에도 비교적 연속적으로 경보를 발생하고, 위험 상황에서는 경보를 지속시키는 것을 확인했다. 또한 개발된 충돌 예방 알고리즘을 실해역에 적용하여 그 타당성을 검토하고자 했다. 먼저 실해역의 7일간 선박운항데이터 (V-Pass data)를 기반으로 PARK Model, ES (Environment stress) model, IWRAP (International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities Waterway Risk Assessment Program) MkII를 이용하여 해상 위험성을 평가하고, 이를 경보다발구역과 비교했다. 위험이 높게 나타난 해역과 경보다발구역이 일치하였으며, 경보가 많이 발생하였으나 비교적 위험이 낮게 평가된 구역은 실제 교통이 혼잡한 해역인 것을 확인했다. 또한 실제의 교통상황을 반영하기 위하여 실해역 선박운항데이터에서 추출한 사례에 개발된 충돌 예방 알고리즘을 적용했다. 그 결과 오경보 없이 위험한 상황까지의 거리에 따라 점진적으로 발생하는 것을 확인했다. 개발된 알고리즘은 자율운항선박 개발의 핵심 기술 중 하나인 충돌 감지 기술로 자율운항선박 개발 시에 기반기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. The objective of this study is to develop a collision prevention algorithm for small vessels and verify its performance and validity to prepare the generic technology for MASS (Maritime Autonomous Surface Ship). To develop an efficient collision prevention algorithm, the distance between two vessels, DCPA (Distance at the Closest Point of Approach), TCPA (Time to Closest Point of Approach), and PARK (Potential Assessment of Risk) model, were used, as well as WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) communication. PARK model is one of the maritime traffic risk assessment models. The collision prevention algorithm was developed in four stages: vessel detection, dangerous vessel identification, continuous monitoring, and alarm generation. Detect vessels within three miles and identify dangerous vessels using DCPA and TCPA. In addition, it continuously monitors based on the PARK model risk and generates a four-step alarm signal depending on the distance. Simulation experiments and scenario-based real ship experiments were performed to verify the alarm operation of the developed collision prevention algorithm. As a result, it was confirmed that when a small vessel encounters a dangerous situation, the developed algorithm generates a step-by-step alarm, and when the dangerous situation is resolved, the alarm is released. It was also confirmed that, despite frequent changes in DCPA and TCPA due to changes in the course of small vessels, alarms are generated continuously, and alarms continue in dangerous situations. The developed collision prevention algorithm was applied to the actual waterway to examine its validity. The risk of the sea was evaluated by the PARK model, ES (Environment Stress) model, and IWRAP (International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities Waterway Risk Assessment Program) MKII, and this was compared with areas with frequent alarms based on the 7-day ship traffic data (V-Pass data) of the actual waterway. The waterway with a high risk coincided with the waterway with frequent alarms, whereas the waterway with a relatively low risk, despite the presence of frequent alarms, was found to be a waterway with actual traffic congestion. In addition, to reflect the actual traffic situation, the developed collision prevention algorithm was applied to the cases extracted from the V-Pass data. As a result, it was confirmed that the alarm was gradually generated based on the distance to the dangerous situation without generating a false alarm. The developed algorithm is expected to be utilized as a generic technology as a collision detection technology, which is one of the core technologies for MASS development.

A Study on the Underwater Cutting of Stainless Steel for Nuclear Power Plant Decommissioning using a Fiber Laser

Kwan Kim 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2022 국내석사

Nuclear energy is used as a major source of energy worldwide because of its high energy efficiency and low emissions of greenhouse gases and fine dust. At the end of the design lifespan of a nuclear facility, which in general averages 40 to 60 years, it is examined to determine whether to restart it according to the procedures prescribed by related law. If it is determined that it is impossible to restart the nuclear facility, dismantling work will be carried out to permanently close it. Radioactive waste, which inevitably occurs during the dismantling of nuclear power plants, can be harmful to the human body and the environment, so it is very important to manage it. Among the nuclear facilities, the reactor vessel internal belongs to intermediate-level radioactive waste because of nuclear fission. To prevent the operator from radiation exposure during the dismantling of these facilities, underwater and remote cutting technologies are required. Especially in the domestic situation where nuclear facilities are preparing to be dismantled, the development of advanced cutting technology is essential. In the case of nuclear dismantling in other countries, most of them used mechanical cutting such as band saw cutting and wire cutting. Thermal cutting such as plasma and laser cutting is also employed. In recent years, considering the safety and environment of the operator, laser cutting technology, where remote cutting technology is applicable and the amount of secondary waste is low, is receiving a lot of attention, and various studies are ongoing. Among them, fiber lasers are gaining prominence as lasers for nuclear dismantling in underwater environments because they can transmit high-power lasers over long distances and are easy to automate. However, because most of the research so far has been on laser cutting of thin plates in the atmosphere, research on underwater laser cutting of thick plates applied to actual nuclear power plants is needed. Therefore, in this paper, to investigate whether cutting quality affects generation of secondary waste, laser cutting experiments in the atmospheric and underwater environments were conducted on 50- and 70-mm-thick stainless steel using a fiber laser with a maximum output of 20 kW. Conditions for obtaining sound quality of the cutting surface were established by analyzing the kerf shape and roughness of the specimen when the main parameters such as focal position, laser power, cutting speed, stand-off distance, and assist gas pressure were changed. In addition, the kerf areas of the cross-section were determined to investigate the relationship between the cutting quality and the amount of secondary waste. First, effects of the key parameters were examined, and it was confirmed that the defocus distance has a profound effect on the front kerf width because it determines the diameter of the laser beam irradiated on the surface of the specimen. Laser power and cutting speed affected the amount of molten metal because they determined the heat input of the specimen. That is, as the heat input increased, the amount of molten metal increased, which led to a tendency for the kerf width to be wider, but not the sufficient discharge of the molten metal to be achieved. On the other hand, when the heat input decreased, the kerf width narrowed, so the flow of the assist gas was not smooth, and the molten metal tended to stagnate inside the specimen. As a result, laser cutting experiments according to the above parameters were carried out to derive suitable cutting conditions by thickness with excellent cutting quality. In addition, because the molten metal of the cut specimen is an important factor in determining the amount of secondary waste, the kerf area according to each variable was obtained through calculations. As a result, it was confirmed that the kerf area was the smallest under suitable laser cutting conditions, and the amount of secondary waste was also small under conditions with excellent cutting quality. The above study examined the applicability of underwater laser cutting to materials in facilities inside nuclear power plants. In the future, when dismantling nuclear facilities, these findings could be used as an important resource for laser cutting technology. 원자력 에너지는 에너지 효율이 높고 온실 가스와 미세 먼지의 배출이 적기 때문에 세계 각국에서 주요 에너지원으로 사용되고 있다. 일반적으로 원자력 발전소의 설계 수명은 평균 40 ~ 60년이며, 수명이 다한 원자력 발전소는 관련법 절차에 따라 재가동을 위한 심사를 받는다. 재가동이 불가능한 원자력 시설은 영구 폐쇄를 위한 해체 작업이 진행되지만 원전 해체시 필연적으로 발생하는 방사성 폐기물은 인체와 환경에 해를 끼칠 수 있기 때문에 이를 관리하는 것이 매우 중요하다. 원자력 시설 중 원자로 내부구조물은 핵분열의 영향으로 인해 중준위 폐기물에 속한다. 이러한 구조물의 해체시 작업자의 방사능 피폭을 방지하기 위해서는 수중환경에서의 원격 절단 기술이 요구된다. 특히 원자력 시설의 해체를 준비하고 있는 국내 상황에서 고도화된 절단 기술의 개발은 필수적이다. 해외의 원전 해체시에는 대부분 밴드쏘 절단, 와이어 절단과 같은 기계적 절단 및 플라즈마, 아크와 같은 열적 절단이 사용되었다. 최근 들어 작업자의 안전 및 환경을 고려하여 원격 절단이 가능하고 2차 폐기물량을 저감할 수 있는 레이저 절단 기술이 많은 관심을 받고 다양한 연구가 진행중이다. 그 중 파이버 레이저는 고출력 레이저의 장거리 전송이 가능하고 자동화가 용이하다는 장점으로 인해 수중 환경에서의 원전 해체용 레이저로 각광을 받고 있다. 하지만 지금까지는 박판 및 대기중에서의 레이저 절단 연구가 대부분이기 때문에 실제 원전에 적용되고 있는 후판 재료의 수중 레이저 절단에 대한 연구가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 후판 재료의 수중 레이저 절단시 절단면 품질과 2차 폐기물의 생성과의 관계를 규명하기 위하여, 고출력 파이버 레이저를 사용하여 두께 50 및 70 mm 스테인리스강에 대한 대기중 및 수중 레이저 절단 실험을 수행하였다. 이때 주요 매개변수인 초점 위치, 레이저 출력, 절단 속도, 스탠드오프 거리 및 보조가스 압력에 따른 영향을 살펴보기 위하여 절단 시험편의 커프 형상 및 거칠기 등을 분석한 후 건전한 절단면 품질이 얻어지는 조건을 도출하였다. 또한 횡단면의 커프 면적을 구하여 절단 품질과 2차 폐기물 생성량의 관계를 검토하였다. 우선 주요 매개변수의 영향을 살펴본 결과, 비초점 거리는 시험편 표면에 조사되는 레이저 빔의 직경을 결정하기 때문에 전면 커프폭에 지대한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 레이저 출력 및 절단 속도는 시험편의 입열량을 결정하여 용융량에 영향을 미쳤다. 즉, 입열량이 증가하면 용융량이 증가하여 커프폭이 넓어지지만 충분한 용융 금속의 배출이 이루어지지 못하는 경향을 나타내었다. 반면 입열량이 감소하면 커프폭이 좁아지기 때문에 보조가스의 흐름이 원활하지 못하여 용융 금속이 시험편 내부에 정체되는 경향을 보였다. 스탠드오프 거리 및 보조가스 압력은 용융 금속의 흐름에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 결과적으로 상기와 같은 매개변수에 따른 레이저 절단 실험을 진행하여 우수한 절단 품질을 가지는 두께별 적정 절단 조건을 도출할 수 있었다. 또한 절단된 시험편의 용융량은 2차 폐기물의 양을 결정하는 중요한 인자이기 때문에 계산을 통해 각 변수에 따른 커프 면적을 구하였다. 그 결과 적정 레이저 절단 조건에서 커프 면적이 가장 작았으며, 이로서 우수한 절단 품질을 가지는 조건이 2차 폐기물 생성량도 적다는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 연구 결과는 원전 내부 시설의 재료에 대한 수중 레이저 절단의 적용성을 검토하고 있어 향후 원자력 시설의 해체시 레이저 절단 기술의 중요한 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Measurement of Temperature and Concentration Distributions for High-Temperature Gas by Using CT-TDLAS

김준호 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2019 국내석사

This thesis is mainly focused on the measurements of the temperature and concentration fields of a high pure propane(C3H8) gas. The temperature and concentration fields were measured by utilizing the laser absorption characteristics. In order to measure the temperature and concentration fields, an optical tomograph measurement system has been constructed, in which laser technology and tomography technology were adopted. The optical signals were obtained from the laser signals that had been passed through the combustion field of the propane gas, and these were used for reconstructing the temperature and concentration field. TDLAS (tuneable diode laser absorption spectroscopy) principle has been adopted, in which the intensity of the laser passed through the combustion field is absorbed according to the concentration of the gas molecule. The concentration field has been measured by adopting the tomography technology. The present measurement system, optical tomography system, constructed in this thesis is capable of measuring the temperature and concentration fields up to 1500 K. To attain this goal, two key approaches had been adopted. Firstly, an auto profiling method has been constructed, which is capable of reconstructing very weak signals at the wavelength of 1395.2-1395.8 nm of laser. Secondly, the SMART(Simultaneous Multiple Algebraic Reconstruction Technique) algorithm has been adopted. The temperature field measured by the constructed optical tomography was compared with those measured by thermocouples (B&R type), through which it was confirmed that the measurement discrepancy between them was within 7 %. 본 논문은 고순도 Propane (C3H8)을 연료로 한 연소 시 발생하는 가스의 온도, 농도 측정에 관한 연구내용을 담고 있다. 가스의 온도와 농도분포는 수증기(H2O)의 레이저흡수특성을 이용하였다. 온도장과 농도장 측정을 위하여 레이저기술과 토모그래피(tomography)기술을 접목시킨 광학-토모그래피 측정시스템을 완성하였다. 고순도 프로판 가스의 연소장을 통과한 광학신호를 이용하여 온도와 농도장을 재구성하였다. 반도체 레이저로부터 나오는 빛이 가스분자의 농도에 따라 흡수되는 특성을 이용한 레이저 흡수법(TDLAS, tuneable diode laser absorption spectroscopy)을 적용하였고, 공간상에서의 농도분포를 측정하기 위하여서는 토모그래피 기술을 융합 접목하였다. 본 논문에 구현된 ‘광학-토모그래피 측정시스템’은 가스온도가 1500 K까지 농도분포를 측정할 수 있는 시스템이다. 이를 달성하기 위하여, 두 가지 핵심기술을 완성 적용하였다. 첫째, 고온부에서 반응하는 반도체레이저 파장(1395.2-1395.8 nm 파장대)에서 미약한 광학신호를 재구성할 수 있는 자동프로파일링 기술(auto profiling)을 적용하였으며, 둘째, 가스의 농도와 온도 분포를 동시에 측정할 수 있는 SMART 알고리듬 (Simultaneous Multiple Algebraic Reconstruction Technique)을 완성 적용하였다. 측정된 온도 값에 대한 검증을 위하여 열전대(B&R type)를 이용한 온도 측정값과 본 연구에서 개발한 ‘광학-토모그래피 측정시스템’에 의한 온도측정값을 비교한 결과, 측정 온도차이가 7 % 미만으로 나타났으며, 농도분포 측정에서의 상대오차도 동일한 수준으로 측정할 수 있음이 확인되었다.

Antarctic marine actinomycetes from the Amundsen sea : An unexplored source of secondary metabolites for marine natural products

강수진 국립한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2025 국내석사

This study explores the diversity of actinomycetes isolated from the Amundsen Sea in Antarctica and investigates their potential to produce secondary metabolites. Actinomycetes have long been recognized as a major microbial source of diverse secondary metabolites in natural product research. The Antarctic marine environment, with its extreme conditions and limited exploration, offers a promising opportunity for discovering novel bioactive compounds. Marine sediment samples were collected from 17 different sites in the Amundsen Sea by the icebreaking research vessel ARAON. From these samples, a total of 25 actinomycetes were isolated in the laboratory. These isolates belonged to eight different genera, indicating a high level of phylogenetic diversity. Crude extracts of the isolated strains were evaluated for antibacterial activity and cytotoxicity, and several strains exhibited bioactivity. Among them, strain LMA743 showed weak activity in the initial screening. However, it demonstrated strong antibacterial and cytotoxic effects in the fractionated extracts obtained through large-scale fermentation. This study highlights the potential of Antarctic marine actinomycetes as a valuable source of bioactive secondary metabolites. In addition, it emphasizes the importance of further natural product research on Antarctic marine-derived actinomycetes.