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.

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.

국내 해양에너지(조류·해상풍력) 균등화발전비용 분석 및 저감 방안 연구

윤서호 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2023 국내석사

본 연구에서는 조류발전과 해상풍력발전의 균등화발전비용(Levelized Cost of Energy, LCOE) 분석 사례를 조사하여, 누적설비용량에 따른 LCOE 범위를 추정하고, LCOE의 주요 구성요소에 대한 민감도를 분석하였으며, 마지막으로 LCOE 저감방안에 대하여 고찰하였다. 조류발전 LCOE는 누적설비용량이 1MW에서 1GW까지 증가할 때 ￦520~800/kWh에서 ￦142~285/kWh으로 감소하는 것으로 추정되었으며, LCOE의 주요 구성요소에 대하여 민감도 분석 결과, 설비 이용률, 할인율 그리고 발전설비 비용의 민감도가 높은 것으로 나타났다. 해상풍력발전의 경우 누적설비용량이 5GW에서 200GW급으로 확대될 때 LCOE는 평균 ￦184/kWh에서 ￦66/kWh으로 감소할 것으로 분석되었다. 국내 서남해 해상풍력실증단지와 제주 A 해상풍력발전단지의 LCOE 민감도 분석 결과 모두 이용률의 민감도가 높은 것으로 분석되었다. 조류발전 LCOE 저감 방안에 대하여 터빈 용량 증대, 성능 향상 및 규모의 경제 효과를 검토하였고, 체계적인 유지보수 계획 및 경제성 향상을 위한 터빈 배치에 대한 중요성을 검토하였으며, 아울러 제도적 지원에 대하여 논의하였다. 또한 국내 해상풍력발전 LCOE 저감방안으로 지반 조건에 따른 해상풍력발전 지지구조물 적용방안에 대하여 토사층의 경우 포스트파일링 재킷 공법, 트라이포드 공법, 프리파일링 공법 적용에 따른 국내 서남해 해상풍력실증단지의 LCOE를 계산하여 비교하였을 시 프리파일링 공법은 55MW일 경우 ￦285.34/kWh로 같은 규모의 포스트파일링 공법과 트라이포드 공법(각각 ￦282.41/kWh, ￦281.33/kWh) 보다 불리하나, 단지 규모가 커져 설치기수가 늘어날수록 공사비 및 LCOE 저감효과가 큰 것으로 검토되었다. 암반층의 제주 A 해상풍력발전단지의 경우 다중 격벽식 중공형 수중기초를 사용하였을 경우 재킷 기초를 사용하였을 때보다 LCOE가 ￦61.73/kWh 차이가 발생하여 약 18% 저렴한 것으로 나타났다.

기계학습 기법을 이용한 바지형 선박의 횡동요 RAO 예측

임재환 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2020 국내석사

Recently, Artificial Intelligence(AI) technology has been applied in various industries due to increased interest in the fourth industrial revolution. However, research related to AI is relatively lacking in shipbuilding and maritime industries because of the characteristic of the industrial structure that information disclosure is limited. But shipbuilding and maritime industries are a complex industry in which various sectors are merged, and large amounts of data are generated. In addition, various forms of data are generated by the shipbuilding and marine industries in their respective processes, including design, construction, maintenance and operation. Therefore, it is believed that AI technology can be applied to optimizing design, efficiency of maintenance, and stability evaluation in operation to produce significant results. Many existing studies have mainly been done to improve efficiency in terms of production management and to optimize ship operation. In this paper, however, a machine learning prediction model was built for predicting the lateral homologous RAO from the design optimization perspective of ships. Data used in the paper were for barge types registered in advance, and RAO was generated for each vessel in an in-house code using the three-dimensional singularity distribution method. In addition, Python and Tensorflow was used to build the prediction model, and statistical techniques were used to measure the results of changing the hyper parameters of the prediction model to evaluate the accuracy of the results. Thus, unlike previous studies targeting specific targets, this paper has a difference in that it has targeted several vessels. Finally, the purpose of the study is to identify the approximate RAO for vessels where the drawing of ships does not exist, and to improve the efficiency of the modelling and analytical processes necessary to obtain RAO. Furthermore, it is thought that it will be possible to develop into a study that will help assess the stability of autonomous driving vessels in the future, given that the stability of vessels with specific dimensions can be identified. 최근 4차 산업혁명에 대한 관심의 증가로 인공지능 기술이 다양한 산업에서 적용되고 있다. 그러나 조선 및 해양산업에서는 정보공개가 제한적이라는 산업구조 특성상 인공지능과 관련된 연구가 상대적으로 부족한 실정이다. 하지만 조선 및 해양산업은 다양한 분야가 융합된 복합적인 산업으로 많은 양의 데이터가 생성되는 산업 중 하나이다. 뿐만 아니라 조선 및 해양산업은 설계, 건조, 유지 보수, 운항 등 각각의 과정에서 갖가지 형태의 데이터가 발생한다. 따라서 인공지능 기술을 설계 최적화, 유지 보수의 효율성, 운항 시 안정성 평가 등에 적용하여 유의미한 결과를 도출할 수 있을 것이라 판단된다. 기존의 많은 연구들은 생산관리 측면의 효율을 개선하기 위한 연구와 선박의 운항의 최적화를 위한 연구가 주를 이루어왔다. 그러나 본 논문에서는 선박의 설계 최적화관점에서 횡동요 RAO를 예측을 위한 기계학습 예측모델을 구축하였다. 논문에 사용된 데이터는 선급에 등록된 바지형 선박을 대상으로 하였으며, 각각의 선박에 대하여 3차원 특이점 분포법을 사용한 In-house code로 선박별로 RAO를 생성하였다. 그리고 예측모델을 구축함에 있어 Python의 Tensorflow를 사용하였으며, 결과의 정확도 평가를 위하여 예측모델의 하이퍼 파라미터를 변경한 결과들에 대해서 통계적인 기법들을 평가 지표로 사용하였다. 따라서 본 논문은 특정 대상을 타겟으로 하는 기존의 연구들과는 달리 여러 척의 선박을 대상으로 하였다는 점에서 차이가 존재한다. 최종적으로 연구의 목적은 선박의 도면이 존재하지 않는 선박에 대한 대략적인 RAO를 파악함과 동시에, RAO를 구하는데 있어 필요한 모델링 과정과 해석 과정에 대한 효율성 개선에 목적이 있다. 더 나아가 특정 제원을 가지는 선박의 적재상태에 따른 안정성을 파악할 수도 있다는 점에서 향후 자율운항선박의 항행 중 안정성 평가에 도움이 되는 연구로 발전할 수 있을 것이라 판단된다.

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.

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.

Effects of microplastic-mediated combined stressors on bioaccumulation and stress responses in Korean rockfish, Sebastes schlegeli

Kwon, Young Hoon 국립한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2026 국내석사

With the continued intensification of marine environmental pollution, the influx of microplastics into aquatic ecosystems has emerged as a serious global environmental concern. These particles, typically smaller than 5 mm, are produced either by the physical degradation of macro-debris or as primary synthetic components from domestic and industrial sources. Microplastics serve as effective transporters for various toxins and pathogens due to the strong adsorptive capacity of their hydrophobic surfaces. The synergy between microplastics and pollutants enhances their uptake in fish, ultimately resulting in significant physiological toxicity. Both heavy metal contamination and bacterial pathogens pose ongoing threats to Sebastes schlegeli, a major commercial fish species in South Korea. Exposure to these pollutants induces oxidative and immune stress; however, limited information is available on the synergistic effects of microplastics and heavy metals or bacteria on the antioxidant systems of Korean rockfish. Therefore, this study assessed the alterations in the physiological defense mechanisms of Korean rockfish under combined stress from microplastics, cadmium, and bacterial infection. The interaction between microplastics and pollutants was elucidated by assessing tissue accumulation, antioxidant enzymes, and immune-related gene expression. These results provide a foundational understanding of the health risks associated with multi-pollutant exposure in marine organisms. 1. Acute co-exposure to microbeads and cadmium enhances accumulation and alters plasma biochemical markers and stress indicators in Korean rockfish, Sebastes schlegeli In this study, we evaluated the effects of simultaneous exposure to microbeads (MB) and cadmium (Cd) on the accumulation of these contaminants and the resulting physiological stress responses in Korean rockfish. Fish were exposed for five days to a control group, single-exposure groups (MB 5 beads/L [MB5], MB 50 beads/L [MB50], Cd 0.2 mg/L [Cd0.2], Cd 0.4 mg/L [Cd0.4]), and combined-exposure groups (MB5+Cd0.2, MB5+Cd0.4, MB50+Cd0.2, MB50+Cd0.4). Following exposure, the accumulation of MB and Cd in the gills and intestine was significantly higher in the MB50+Cd0.4 group compared with all other combined-exposure groups at every sampling point (p < 0.05). Compared with the control group, the combined- exposure groups showed significant increases in plasma glucose (GLU), aspartate aminotransferase (AST), alanine aminotransferase (ALT), as well as liver heat shock protein 70 (HSP70) and metallothionein (MT) mRNA expression (p < 0.05). The MB50+Cd0.4 group showed the most substantial increase among all treatments, with the combined-exposure groups exhibiting significantly higher DNA damage in the comet assay (p < 0.05). These findings underscore how microplastics can amplify the toxicological impact of heavy metals, suggesting that current monitoring frameworks must adapt to address the risks associated with mixed marine pollutants. 2. Effect of microplastic binding capacity on antioxidant and immune responses of Korean rockfish Sebastes schlegeli in a co-exposure environment with microplastics and Streptococcus iniae In this study, we investigated the effects of combined exposure to microbeads (MB) and Streptococcus iniae on the antioxidant and immune responses of Korean rockfish. Fish were exposed for five days to single or combined treatments of 0.2 µm MB (5 beads/L, 50 beads/L) and S. iniae (1 × 10⁵ or 1 × 10⁷ CFU/mL). MB accumulation was quantified in the gill and intestine tissues, and changes in the copy number of S. iniae were analyzed in the liver and spleen. In addition, the mRNA expression levels of antioxidant enzymes (SOD and CAT) and immune- related genes (IL-1β, IL-6, CCL25, and TNF-α) were measured in liver tissues, while plasma lysozyme levels were evaluated as an additional immune parameter. Fish exposed to high concentrations of MB and S. iniae in combination exhibited increased MB accumulation and S. iniae copy numbers compared with the single-exposure groups, along with elevated mRNA expression of antioxidant enzymes and immune-related genes. In particular, the MB50+Si7 group showed markedly higher values than the MB5+Si7 group. These findings indicate that higher MB concentrations in Korean rockfish enhance interactions with S. iniae, leading to increased bacterial proliferation and subsequent modulation of antioxidant and immune responses. Overall, this study provides fundamental insights into the physiological and immunological effects of combined exposure to MB and S. iniae in marine organisms. 최근, 해양 환경오염의 지속적인 발생으로 수생 생태계로 유입되는 미세플라스틱은 전 세계적으로 심각한 환경 문제로 대두되고 있다. 미세플라스틱은 크기가 5 mm 이하인 플라스틱 입자로, 플라스틱 폐기물의 분해나 일상생활에서 사용되는 합성물질의 직접적인 배출을 통해 발생된다. 미세플라스틱은 소수성 표면을 지니고 있기 때문에 중금속과 병원성 세균을 포함한 다양한 오염물질을 강하게 흡착하여 이들의 운반체로 작용할 수 있다. 이러한 미세플라스틱과 다양한 오염물질의 상호작용으로 인하여 미세플라스틱에 흡착된 더 많은 오염물질이 어류 체내로 축적될 수 있기 때문에 결과적으로 어체 내에서는 다양한 독성 반응이 유발된다. 조피볼락, Sebastes schlegeli은 상업적으로 중요한 어종으로, 연안에 서식하기 때문에 중금속 오염 및 세균 감염과 같은 연안의 다양한 외부 요인에 지속적으로 노출되어 있다. 이러한 외부 오염물질에 어류가 노출되는 경우 어체 내에서는 산화 스트레스와 면역 반응이 유발되는 것으로 알려져 있다. 그러나 미세플라스틱과 중금속 또는 세균의 복합 오염 환경에 노출이 조피볼락의 산화 스트레스 반응, 면역 조절, 항산화 기전 등에 미치는 영향에 관한 연구는 아직 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 조피볼락을 대상으로, 미세플라스틱을 매개로 카드뮴 및 Streptococcus iniae와 복합 노출이 조피볼락의 생리적 방어기전에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 생체 내 축적 양상, 산화 스트레스 지표, 면역 관련 유전자 mRNA의 발현 및 활성 등을 평가하였다. 이러한 분석 결과를 통하여 미세플라스틱과 외부 오염물질 간 상호작용 기작을 규명하여, 복합 스트레스 요인이 해양생물의 생리적 반응에 미치는 영향을 이해하는 데 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다. 1. 미세플라스틱과 카드뮴의 급성 복합 노출이 조피볼락 체내에서 오염물질 축적과 혈장 생화학 및 스트레스 지표에 미치는 영향 본 연구에서는 microbeads (MB)와 cadmium (Cd)의 동시 노출이 조피볼락 체내에서 오염물질의 축적 및 생리적 스트레스 반응에 미치는 영향을 평가하였다. 조피볼락을 대조구, 단일 노출 실험구(MB 5 beads/L [MB5], MB 50 beads/L [MB50], Cd 0.2 mg/L [Cd0.2], Cd 0.4 mg/L [Cd0.4]) 및 복합 노출 실험구(MB5 + Cd0.2, MB5 + Cd0.4, MB50 + Cd0.2, MB50 + Cd0.4)에 각각 5일간 노출시켰으며, 샘플링은 0, 1, 3, 5일차에 진행하였다. 노출 시간이 경과함에 따라 아가미와 장에서 MB 및 Cd 축적량은 모든 샘플링 시점에서 다른 복합 노출 실험구에 비해 MB50+Cd0.4 실험구에서 유의적으로 높게 나타났다(p < 0.05). 복합 노출 실험구의 경우, 혈장에서는 glucose (GLU), aspartate aminotransferase (AST), aminotransferase (ALT) 수치 그리고 간에서는 heat shock protein 70 (HSP70) 및 metallothionein mRNA 발현량이 유의하게 증가하였는데(p < 0.05), 특히 MB50+Cd0.4 실험구에서 가장 높은 수치를 확인하였다. 또한, Comet assay 분석 결과에서는 단일 노출 실험구에 비해 복합 노출 실험구에서 DNA 손상이 유의하게 증가하였다(p < 0.05). 이러한 연구 결과를 통하여 MB와 Cd의 복합 노출이 Cd의 생체 내 축적, 독성 및 DNA 손상을 촉진하고 있음을 확인하였으며, 해양 오염물질의 혼합 노출이 환경 모니터링과 연안 관리에 잠재적인 위험을 초래할 수 있음을 시사한다. 2. 미세플라스틱의 결합 능력이 미세플라스틱과 Streptococcus iniae의 복합 노출 환경에서 조피볼락의 항산화 및 면역 반응에 미치는 영향 본 연구에서는 조피볼락을 대상으로, microbeads (MB)와 Streptococcus iniae의 복합 노출이 조피볼락의 항산화 및 면역 반응에 미치는 영향을 조사하였다. 조피볼락은 0.2 µm 크기의 MB (5 beads/L, 50 beads/L) 및 S. iniae (1 × 10⁵, 1 × 10⁷ CFU/mL)에 각각 단일 및 복합으로 5일간 노출시켰다. 아가미와 장 조직에서 MB 축적량을 확인하였고, 간과 비장 조직에서 S. iniae의 copy number 변화를 분석하였다. 또한, 간 조직에서 항산화 효소(SOD, CAT)와 면역 관련 유전자(IL-1β, IL-6, CCL25 및 TNF-α) mRNA 발현량을 분석하였으며, 혈장 내 lysozyme의 수치 변화를 추가적인 면역 관련 지표로 평가하였다. MB와 S. iniae 복합 노출 실험구의 조피볼락은 단일 노출 실험구에 비해 MB 축적량과 S. iniae copy number가 증가하였으며, 항산화 효소 및 면역 반응 관련 유전자 mRNA의 발현량 또한 증가한 것을 확인하였다. 특히, MB5+Si7 실험구에 비하여 MB50+Si7 실험구에서 MB 축적량과 S. iniae copy number는 가장 높은 수치를 나타내었다. 이러한 결과는 MB의 농도가 높을수록 S. iniae와의 상호작용이 증가되어 조피볼락 체내에서 S. iniae의 copy number 변화를 유도하여, 항산화 및 면역 반응에 영향을 미칠 수 있음을 나타내고 있다. 본 연구 결과는 MB와 S. iniae의 복합 노출에 따른 해양 생물의 생리학적 및 면역학적 반응을 이해하기 위한 기초 자료로 제공될 수 있을 것으로 기대된다.

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

이석환 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2016 국내석사

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.

계절성 동토 내 말뚝 기초의 거동 및 지지력에 관한 유한요소해석

박우진 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원 2023 국내석사

본 학위 논문은 계절성 동토 지역에 위치하는 말뚝 기초의 연중 온도 변화에 따른 지반의 거동과 말뚝에 작용하는 지지력을 분석하기 위해 수치해석을 통해 수행하였다. 동결 지반의 융해 및 동결작용을 모사하기 위해 온도 변화에 따른 지반의 비선형 물성을 적용하였으며, 수치해석은 유한요소법 기반의 TM 모델링(Thermo-Mechanical coupled Modeling)을 적용하여 열전달 및 응력 변화 해석을 위해 프로그램 ABAQUS/CAE를 통해 해석을 수행하였다. 지반의 융해 침하(thaw settlement) 및 동결 융기(frost heave) 현상으로 인한 소성 변형을 모사하기 위해 두 가지 탄소성 구성 모델인, MCR (Mohr-Coulomb with Rankine Tensile cut-off) 및 HDP (Hyperbolic Drucker- Prager) 구성 모델을 적용하여 말뚝 머리(pile head)의 수직 변위와 말뚝의 지지력에 관한 결과를 비교 및 분석하였다. 연중 온도 변화에 따라 지반의 융해, 동결작용으로 지반과 말뚝 모두 침하 및 융기 현상을 보였다. 두 가지 탄소성 구성 모델(MCR과 HDP)을 적용한 수직 변위 결과의 양상과 크기는 유사함을 보이며, 일반적으로 HDP 구성 모델이 MCR 구성 모델에 비해 작게 나타났다. 또한 말뚝의 지지력 해석조건은 말뚝-지반의 접촉 면적에 지배적인 말뚝의 길이와 너비에 대해 선정하였으며, 지지력에 미치는 영향을 비교 및 분석하였다. 말뚝의 너비 조건에 따라 두 탄소성 구성 모델 결과의 양상 및 크기는 유사하며, 너비 조건이 클수록 모델 간 지지력 결과 격차가 크게 발생했다. 이러한 결과는 말뚝의 길이 조건에도 유사하게 나타났다. This dissertation was conducted through numerical analysis to analyze the behavior of frost soil and the bearing capacity acting on piles according to the annual temperature change of pile foundations located in seasonal frost soil regions. To simulate the thawing and freezing of frozen ground, the nonlinear physical properties were applied according to the temperature change of ground and the numerical analysis was conducted through the program ABAQUS/CAE for heat transfer and stress change analysis by applying TM modeling (Thermo-Mechanical coupled Modeling) based on the finite element method. Two elasto-plastic constitutive models, Mohr-Coulomb with Rankine Tensile cut-off (MCR) and Hyperbolic Drucker-Prager (HDP), are used to simulate plastic deformation due to thaw settlement and frost heave phenomena. A constitutive model was applied to compare and analyze the results of the vertical displacement of the pile head and the bearing capacity of the pile. According to the annual temperature change, both the ground and the pile represented thaw settlement and frost heave due to thawing and freezing of the ground. The aspect and magnitude of the vertical displacement results using the two elasto-plastic constitutive models (MCR and HDP) were similar, and the HDP constitutive model was generally smaller than the MCR constitutive model. The bearing capacity analysis condition of pile was selected for the length and width of the pile dominating the pile-ground contact area, and the effect on the bearing capacity was compared and analyzed. Depending on the pile width condition, the aspect and size of the results of the two elasto-plastic constitutive models are similar, the larger width condition leading to a larger gap in bearing capacity results between the models. These results were similar to the pile length conditions.